澳大利亚淬火机闭环定位控制系统设计

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1 原系统缺陷分析
二发厂凸轮轴淬火机是1992 年从澳大利亚引进的中频淬火机。多年来其中频电源部分一直工作良好，但其行程控制部分的故障率却居高不下，经常因凸轮轴定位不准而产生大量废品。其控制系统极为落后、并且严重老化，已失去了维修的价值，甚至有时会严重影响生产的顺利进行，因此定位控制系统的彻底改造就显得尤为重要了。
1）目前，国内同类型或同档次的机床有很多，其中很多都存在定位不准的问题。而定位的准确性正是影响淬火质量的关键因素。我厂凸轮轴淬火机自进厂以来，一直存在定位不准的问题，这一问题困扰了我们多年。虽经与澳大利亚生产厂家联系，始终没有得到妥善的解决办法。
2）该机床行程控制系统控制器是采用20 世纪80 年代初的Z80 单板机技术的专用控制装置。其编程及参数设置非常复杂，控制功能较少，并且经常发生故障。此外，由Z80 单板机所组成的控制器也是极为落后的产品，它不但功能有限、控制不灵活，故障率高，还无同类替换产品，一旦损坏将直接影响生产。
3）定位系统的执行机构为直流调速系统，直流调速系统在国内机床工业中虽然仍占据较大的份额，但由于它是落后的技术，并存在故障率高、稳定性差、控制不灵活等缺点，已逐步被更为先进的交流调速系统所代替。该机床由一台直流伺服电机实现凸轮的定位控制，由于凸轮的运动方式是立式，并且由滚珠丝杠驱动（其本身没有自锁功能），同时，由于凸轮台架质量很大，其运行时产生的巨大的惯性仅仅靠直流电机电枢产生的微弱的电磁力来制动是远远不够的，制动力矩不足是导致凸轮轴定位不准的根本原因。
  B3 _2 B. J9 C; l) @6 C+ ^) f4）位置控制系统及直流调速系统均是淬火机公司自己研制开发的产品，由于产品的更新换代这个产品已淘汰，不再生产，因此无法购买到备件，如果单独定做价格极其昂贵，国外相应的此种控制模块需8万美元。这套系统既无原理图又无详细说明，维修极其困难。
2 设计方案
( O: ]  Z* f0 ]0 BPLC 及变频调速技术在国内已经得到了非常广泛的应用。在国内同行业中，应用PLC 技术对各种机床包括大型自动线的改造的例子非常多，但对于像凸轮轴淬火机这样要求定位精度很高的设备应用变频调速技术结合PLC 技术进行闭环调速系统改造的例子却很少。
1）采用位置闭环控制，能满足定位准确，达到定位精度的要求。利用机床中广泛采用的一种闭环位置检测装置脉冲编码器，脉冲编码器是一种常用的角位移传感器，即一种旋转式脉冲发生器，它能把机械角变成电脉冲。
2）由于PLC 技术控制灵活简单、故障率低、功能强大、价格较低，目前已得到了广泛的应用。本次控制器改造采用的是日本OMRON 公司的C60 PLC。C60 PLC 虽然属于小型机，但其上的高速计数单元能接收脉冲编码器的信号，完全可以实现本机床位置闭环控制的需要。OMRON 公司是世界著名的几大PLC开发与制造商之一，其新产品开发在世界上一直遥遥领先。OMRON 的PLC 性能价格比高，质量可靠，较适合中国国情，所以一直受到国内的欢迎。
3）该机床行程控制系统的关键部件除控制器和编码器之外，还有驱动装置及执行机构。原驱动装置及执行机构分别是一块可控硅直流调速驱动板和一台直流伺服电机。本次改造方案定为：用YEJ 系列自刹车交流电机替代原直流电机。用日本SANKEN 电气株式会社的IHF 系列变频器替代原控制板。这种变频器属于通用型全数字式变频器。适用于感应电动机的调速驱动。其内部配备16 位微处理器，故其功能十分齐全。另外，交流调速理论现在已经非常成熟，并且由于造价低、控制方便可靠、故障率低等特点，它正在取代直流调速的位置。
: K# Q6 q. u" M# I, G3 设计内容
' ^0 }( V' ^' o/ j! \# A) n# ?3.1 硬件接口及设置：
C60 的高速计数单元属于单向加计数单元，记数单元最高只能接受2KHZ 的脉冲信号，可以对普通光电编码器的A、B 项脉冲进行准确计数（要求编码器规格在每转几百脉冲之内）。经计算出每个脉冲的位移当量，即可通过PLC 程序实现对凸轮轴的准确定位。
; l: @0 D' s3 o3.1.1 脉冲编码器信号的接收
! p$ h- [  s6 e! v% Q- X1 b本机床的脉冲编码器的工作电源是直流5V 的，其A、B、Z 三项脉冲的幅值都是5V，而C60 PLC 的输入要求24V，因此两者之间不能直接匹配，必须设计一个转换电路，经过高速光偶电路后，A、B、Z 项脉冲幅值被提升到24V。
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3.1.2 编码器Z 脉冲展宽
由于脉冲编码器的Z 脉冲宽度过窄，C60 的输入口无法识别。Z 脉冲在绝大多数数控系统中的主要作用是控制数控轴准确回零。因此，它的作用是非常重要的。Z 脉冲的展宽问题是通过自制脉冲展宽及放大电路来实现的。下图是CC14528 芯片的原理图和逻辑图。
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CC14528 由R-S 触发器、门电路和三态电路组成，一般选取较大的电阻值和较小的电容值，以获得所
% l& r  Z0 h$ X需的时间常数，降低电路功耗。下面是应用CC14528 搭成的Z 脉冲的展宽电路，编码器的Z 脉冲信号接到Vi 端，输出Vo 端接到PLC 的输入口0002，如波形图所示，输入一个窄脉冲经展宽电路后脉冲宽度加大。输出脉冲的宽度tw 可由外接元件Rext 和Cext 调节，图中tpd 为输入到输出的延迟时间。
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2 |9 b5 w1 @0 x: s) o3.1.3 OMRON C60 PLC 的地址分配
当使用高速计数器时，下列资源用于高速计数器，不能再做它用。
. W8 b+ @& X" ?. Z输入点0000（计数输入）
输入点0001（硬件置零）
+ J8 r7 M* F# [' K+ T1 e/ r内部辅助继电器1807（软件置零）
+ q/ [$ |$ b: X5 kTIM/CNT47（当前计数值）
! x. Z5 _' [! z$ @, |- l( lDMCH32 到DMCH63（上限下限值）
如果电源掉电高速计数器保持掉电前的计数值。
高速记数器有16 个输出。外部的脉冲源通过0000 点输入到CPU，作为高速计数器的输入信号，当输入信号从OFF 到ON 时计数一次。
* x4 t. |. [# X/ `5 y+ E输入信号的每次正跳变都使CPU 内部的计数缓冲器计数，在执行高速计数器指令时把内部计数缓冲器的内容传送到高速计数器的计数值存放单元CNT47 中。传送计数值后，用此值与予置在DM31 到DM63的上下限值做比较，如果数值相符，则被指定作为输出通道的相应的点变为ON，所以在对高速计数器编程时，必须指定一个输出通道作为高速计数器的输出。
3.2 程序设计
+ T% e) K$ i+ u3.2.1 程序流程
# @2 Q- V5 M7 [) l; N, ?( A# |2 J整个机床行程控制系统的工作过程如下图所示：
! ~( i) I5 ^- q0 @# f# E$ d
6 ^- f) D. O0 \" B  g由上面的原理框图可见C60 PLC 控制整个机床的动作。它首先把机床上下运动信号发给变频器，由变频器驱动自刹车电机运转，带动凸轮台架上下运动。在凸轮运行过程中通过Z 脉冲及回零无触点开关使凸轮台架回零，同时通过对A、B 项脉冲的精确计数，使每个凸轮轴的八个凸轮桃都能实现快速—减速—定位的过程。在凸轮定位后，由PLC 控制淬火、空冷、喷淋、等全过程。
) z( ?7 b) }6 e/ e3.2.2 OMRON C60 PLC 的置“0”方式
高速计数器有两种置“0”方式，一种是硬件置“0”，另一种是软件置“0”。
硬件置“0”：把DIP 开关的第七位，第八位置为ON，则硬件置“0”有效，这时输入点0001 是计数器的置“0”输入端，0001 为ON，把CPU 内部的高速计数器饿计数缓冲区置为0000，此时计数器输入信号无效。
软件置“0”：内部辅助继电器1807 是高速计数器的软件置“0”，当1807 为ON 时把高速计数器的当前值置为0000。
. D8 u) s2 K1 |' L  b/ t3.2.3 上、下限值的设置
上下限设置是建立在DM31 到DM63 中，下表中的“S”表示CNT47 中的当前值，“D”表示使用的输出通道。上下限设置必须是4 位BCD 码，从0000 到9999，在设置上下限值时，下限值一定小于上限值，另外在设置上下限值时，要使用MOV 指令。注意如果从上限到下限所用的时间很短，小于CPU 的扫描时间，高速计数虽然计数了，但响应的输出点可能没有反应。

3.2.4 PLC 程序
软件程序包括：总控制程序、零点确认程序、位置传送程序、位置判断程序、变频控制程序、置位清零程序、淬火喷淋控制程序、淬火线圈控制程序。以第一凸轮桃子位置传送程序为例如下图：

3.3 零点设计
设计中最关键的就是零点位置的确定，零点的准确与否关系到8 个凸轮桃子的定位精度。在数控机床找零点的控制启发下，设计中采用了用零点开关限定大体位置，移动时经过零点开关并不是真正的零点，因为普通开关的闭合时间每次都不同，那么取过零点开关后脉冲编码器的一转信号即Z 脉冲信号当作真正的零点信号。脉冲编码器安装在电机轴上，它检测的行程位置是固定的，因此取它的一转信号，是与工件驱动保持一致的，这样保证了位置控制的准确性。将每个淬火位置存入存储区，可以进行位置的调整修改。
* {) c, x, T0 V0 S. x- H' ]6 m3.4 信号干扰的处理
由于有变频设备，对开关信号尤其是接近开关的信号产生干扰，使得PLC 输入假信号，怎样对干扰进行滤波，得到真正的控制信号呢？只能在软件程序中处理，设计软件滤波程序，将干扰信号过滤掉。用此种方法处理干扰信号也是PLC 编程应用的一个小技巧。

8 g1 J: h6 f" X- F6 A$ g; |: v  G从上面这条程序可以看出，开关信号通过一延时时间继电器，由于干扰是瞬间发生的，干扰信号消失时，延时未到，时间继电器无输出，但当真正开关信号接通时，通过延时后，确切检测到开关信号，通过延时对干扰信号进行了过滤。
/ H, B  ~) H+ l. ?* c4 改造后效果
(1) 提高定位精度
( x# V) I" b; C8 Y# T由于采用了脉冲编码器进行位置反馈，用变频器控制及自刹车交流电机，克服了直流调速和直流电机难维护的缺点，使凸轮轴的定位非常准确，彻底杜绝了凸轮定位不准的问题。同时为同类或近似机床的维修及改造积累了宝贵的经验。
: q9 n0 P" T/ H- d0 l& f' I(2) 减小累计误差
由于零点设计思路的改变，每个凸轮桃子位置的计算都是从零点位置算起，而不是第一个位置的计算从零点开关位置算起，第二个位置又从第一个位置算起，可以看出大大减小了累计误差，提高了定位精度，确保淬火位置的准确。
(3) 有效降低成本
改造前，控制行程经常出现位置偏差，淬火不均匀，造成废品，一个凸轮轴就损失二百八十九元，每个月废品数平均将近三十多根。改造后，降低了废品率，平均每月节约废品费8.67 千元，减少维修工时16 小时。
6 q" K! y$ `, W. L(4) 解决备件问题
7 T, l0 j* v7 K1 c/ D改造取代了进口特殊专利电器元件，采用的都是通用电器产品，可靠性高，采购方便，解决了长期无法解决的备件问题，节约备件费用11.6 万元。
(5) 方便维修
由于采用了PLC 机作为控制器，故障率低，使机床的操作简单灵活、参数输入方便、动作可靠。CRT显示方便了维修，更重要的是极大地降低了机床的废品率和故障率。
设备改造后，经近两年的运行，从凸轮淬火位置精度控制上来看，淬火质量得到了明显上的提高，有效地减少了废品，设备故障率大大减小，这次改造成功的意义不仅在于解决了二发厂眼前的生产问题，而且对于一汽乃至国内的相同或相似设备的此类故障也有极好的借鉴作用。
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