1原系統(tǒng)缺陷分析 二......



1 原系統(tǒng)缺陷分析
二發(fā)廠凸輪軸淬火機(jī)是1992 年從澳大利亞引進(jìn)的中頻淬火機(jī)。多年來其中頻電源部分一直工作良好，但其行程控制部分的故障率卻居高不下，經(jīng)常因凸輪軸定位不準(zhǔn)而產(chǎn)生大量廢品。其控制系統(tǒng)極為落后、并且嚴(yán)重老化，已失去了維修的價值，甚至有時會嚴(yán)重影響生產(chǎn)的順利進(jìn)行，因此定位控制系統(tǒng)的徹底改造就顯得尤為重要了。
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1）目前，國內(nèi)同類型或同檔次的機(jī)床有很多，其中很多都存在定位不準(zhǔn)的問題。而定位的準(zhǔn)確性正是影響淬火質(zhì)量的關(guān)鍵因素。我廠凸輪軸淬火機(jī)自進(jìn)廠以來，一直存在定位不準(zhǔn)的問題，這一問題困擾了我們多年。雖經(jīng)與澳大利亞生產(chǎn)廠家聯(lián)系，始終沒有得到妥善的解決辦法。
2）該機(jī)床行程控制系統(tǒng)控制器是采用20 世紀(jì)80 年代初的Z80 單板機(jī)技術(shù)的專用控制裝置。其編程及參數(shù)設(shè)置非常復(fù)雜，控制功能較少，并且經(jīng)常發(fā)生故障。此外，由Z80 單板機(jī)所組成的控制器也是極為落后的產(chǎn)品，它不但功能有限、控制不靈活，故障率高，還無同類替換產(chǎn)品，一旦損壞將直接影響生產(chǎn)。
3）定位系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為直流調(diào)速系統(tǒng)，直流調(diào)速系統(tǒng)在國內(nèi)機(jī)床工業(yè)中雖然仍占據(jù)較大的份額，但由于它是落后的技術(shù)，并存在故障率高、穩(wěn)定性差、控制不靈活等缺點(diǎn)，已逐步被更為先進(jìn)的交流調(diào)速系統(tǒng)所代替。該機(jī)床由一臺直流伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)凸輪的定位控制，由于凸輪的運(yùn)動方式是立式，并且由滾珠絲杠驅(qū)動（其本身沒有自鎖功能），同時，由于凸輪臺架質(zhì)量很大，其運(yùn)行時產(chǎn)生的巨大的慣性僅僅靠直流電機(jī)電樞產(chǎn)生的微弱的電磁力來制動是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，制動力矩不足是導(dǎo)致凸輪軸定位不準(zhǔn)的根本原因。
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4）位置控制系統(tǒng)及直流調(diào)速系統(tǒng)均是淬火機(jī)公司自己研制開發(fā)的產(chǎn)品，由于產(chǎn)品的更新?lián)Q代這個產(chǎn)品已淘汰，不再生產(chǎn)，因此無法購買到備件，如果單獨(dú)定做價格極其昂貴，國外相應(yīng)的此種控制模塊需8萬美元。這套系統(tǒng)既無原理圖又無詳細(xì)說明，維修極其困難。
2 設(shè)計(jì)方案
PLC 及變頻調(diào)速技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用。在國內(nèi)同行業(yè)中，應(yīng)用PLC 技術(shù)對各種機(jī)床包括大型自動線的改造的例子非常多，但對于像凸輪軸淬火機(jī)這樣要求定位精度很高的設(shè)備應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)結(jié)合PLC 技術(shù)進(jìn)行閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)改造的例子卻很少。
1）采用位置閉環(huán)控制，能滿足定位準(zhǔn)確，達(dá)到定位精度的要求。利用機(jī)床中廣泛采用的一種閉環(huán)位置檢測裝置脈沖編碼器，脈沖編碼器是一種常用的角位移傳感器，即一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，它能把機(jī)械角變成電脈沖。
2）由于PLC 技術(shù)控制靈活簡單、故障率低、功能強(qiáng)大、價格較低，目前已得到了廣泛的應(yīng)用。本次控制器改造采用的是日本OMRON 公司的C60 PLC。C60 PLC 雖然屬于小型機(jī)，但其上的高速計(jì)數(shù)單元能接收脈沖編碼器的信號，完全可以實(shí)現(xiàn)本機(jī)床位置閉環(huán)控制的需要。OMRON 公司是世界著名的幾大PLC開發(fā)與制造商之一，其新產(chǎn)品開發(fā)在世界上一直遙遙領(lǐng)先。OMRON 的PLC 性能價格比高，質(zhì)量可靠，較適合中國國情，所以一直受到國內(nèi)的歡迎。
3）該機(jī)床行程控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件除控制器和編碼器之外，還有驅(qū)動裝置及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。原驅(qū)動裝置及執(zhí)行機(jī)構(gòu)分別是一塊可控硅直流調(diào)速驅(qū)動板和一臺直流伺服電機(jī)。本次改造方案定為：用YEJ 系列自剎車交流電機(jī)替代原直流電機(jī)。用日本SANKEN 電氣株式會社的IHF 系列變頻器替代原控制板。這種變頻器屬于通用型全數(shù)字式變頻器。適用于感應(yīng)電動機(jī)的調(diào)速驅(qū)動。其內(nèi)部配備16 位微處理器，故其功能十分齊全。另外，交流調(diào)速理論現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟，并且由于造價低、控制方便可靠、故障率低等特點(diǎn)，它正在取代直流調(diào)速的位置。
3 設(shè)計(jì)內(nèi)容
3.1 硬件接口及設(shè)置：
C60 的高速計(jì)數(shù)單元屬于單向加計(jì)數(shù)單元，記數(shù)單元最高只能接受2KHZ 的脈沖信號，可以對普通光電編碼器的A、B 項(xiàng)脈沖進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)數(shù)（要求編碼器規(guī)格在每轉(zhuǎn)幾百脈沖之內(nèi)）。經(jīng)計(jì)算出每個脈沖的位移當(dāng)量，即可通過PLC 程序?qū)崿F(xiàn)對凸輪軸的準(zhǔn)確定位。
3.1.1 脈沖編碼器信號的接收
本機(jī)床的脈沖編碼器的工作電源是直流5V 的，其A、B、Z 三項(xiàng)脈沖的幅值都是5V，而C60 PLC 的輸入要求24V，因此兩者之間不能直接匹配，必須設(shè)計(jì)一個轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)過高速光偶電路后，A、B、Z 項(xiàng)脈沖幅值被提升到24V。
3.1.2 編碼器Z 脈沖展寬
由于脈沖編碼器的Z 脈沖寬度過窄，C60 的輸入口無法識別。Z 脈沖在絕大多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)中的主要作用是控制數(shù)控軸準(zhǔn)確回零。因此，它的作用是非常重要的。Z 脈沖的展寬問題是通過自制脈沖展寬及放大電路來實(shí)現(xiàn)的。下圖是CC14528 芯片的原理圖和邏輯圖。
CC14528 由R-S 觸發(fā)器、門電路和三態(tài)電路組成，一般選取較大的電阻值和較小的電容值，以獲得所 需的時間常數(shù)，降低電路功耗。下面是應(yīng)用CC14528 搭成的Z 脈沖的展寬電路，編碼器的Z 脈沖信號接到Vi 端，輸出Vo 端接到PLC 的輸入口0002，如波形圖所示，輸入一個窄脈沖經(jīng)展寬電路后脈沖寬度加大。輸出脈沖的寬度tw 可由外接元件Rext 和Cext 調(diào)節(jié)，圖中tpd 為輸入到輸出的延遲時間。
3.1.3 OMRON C60 PLC 的地址分配
當(dāng)使用高速計(jì)數(shù)器時，下列資源用于高速計(jì)數(shù)器，不能再做它用。
輸入點(diǎn)0000（計(jì)數(shù)輸入）
輸入點(diǎn)0001（硬件置零）
內(nèi)部輔助繼電器1807（軟件置零）
TIM/CNT47（當(dāng)前計(jì)數(shù)值）
DMCH32 到DMCH63（上限下限值）
如果電源掉電高速計(jì)數(shù)器保持掉電前的計(jì)數(shù)值。
高速記數(shù)器有16 個輸出。外部的脈沖源通過0000 點(diǎn)輸入到CPU，作為高速計(jì)數(shù)器的輸入信號，當(dāng)輸入信號從OFF 到ON 時計(jì)數(shù)一次。
輸入信號的每次正跳變都使CPU 內(nèi)部的計(jì)數(shù)緩沖器計(jì)數(shù)，在執(zhí)行高速計(jì)數(shù)器指令時把內(nèi)部計(jì)數(shù)緩沖器的內(nèi)容傳送到高速計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值存放單元CNT47 中。傳送計(jì)數(shù)值后，用此值與予置在DM31 到DM63的上下限值做比較，如果數(shù)值相符，則被指定作為輸出通道的相應(yīng)的點(diǎn)變?yōu)镺N，所以在對高速計(jì)數(shù)器編程時，必須指定一個輸出通道作為高速計(jì)數(shù)器的輸出。
3.2 程序設(shè)計(jì)
3.2.1 程序流程
整個機(jī)床行程控制系統(tǒng)的工作過程如下圖所示：