摇臂钻床自动送料装置设计【半自动钻床】
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PLC 直 接 控 制 的 电 液 步 进 液 压 缸 康 晶 1 , 孟 广 耀 2 (11 大 连 民 族 学 院 , 大 连 116600 ; 21 青 岛 建 筑 工 程 学 院 , 青 岛 266033) 摘 要 : 采 用 可 编 程 控 制 器 ( PLC) 直 接 控 制 数 字 电 液 步 进 液 压 缸 , 可 使 液 压 系 统 的 控 制 系 统 简 洁 、 可 靠 、 成 本 显 著 下 降 。 文 章 介 绍 了 PLC 控 制 电 液 步 进 液 压 缸 的 方 法 , 电 液 步 进 液 压 缸 的 伺 服 控 制 、 驱 动 接 口 及 PLC 梯 形 图 的 控 制 逻 辑 。 关 键 词 : 电 液 步 进 液 压 缸 ; 步 进 电 机 ; 可 编 程 控 制 器 ; 驱 动 接 口 ; 控 制 逻 辑 中 图 分 类 号 : TH137151 文 献 标 识 码 : B 文 章 编 号 1001 - 3881 (2004) 4 - 124 - 2 Electro - hydraulic Stepping Cylinder Controlled Directly by PLC KAN G Jing1 , MEN G Guang2yao2 (11Dalian Nationalitied University , Dalian 11660 , China ; 21Qingdao Insititute of Architecture and Engineering , Qingdao 266033 , China) Abstract : Direct control of electro hydraulic stepping cylinder by means of PLC can make the control system of hydraulic system become simpler , cheaper and reliabler. The method of direct control of electro hydraulic stepping cylinder by means of PLC was de2 scribed. The driving interfaces of electro - hydraulic stepping cylinder and the control logic of software were founded. Keywords : Electro - hydraulic stepping cylinder ; Stepping motor ; Programmable controller ; Driving interfaces ; Control logic 0 引 言 数 字 式 电 液 步 进 液 压 缸 是 由 步 进 电 机 和 液 压 力 放 大 器 组 成 的 , 其 输 出 力 可 达 上 万 牛 顿 。 因 此 , 常 用 于 重 型 精 密 机 械 的 伺 服 进 给 系 统 中 , 如 轧 钢 机 的 压 下 机 构 和 轧 辊 磨 床 的 进 给 机 构 。 液 压 力 放 大 器 是 一 个 直 接 位 置 反 馈 式 液 压 伺 服 机 构 , 由 控 制 滑 阀 、 液 压 缸 和 螺 杆 - 螺 母 反 馈 机 构 组 成 , 见 图 1。 当 步 进 电 机 在 输 入 脉 冲 的 作 用 下 转 过 一 个 步 距 角 时 , 经 齿 轮 带 动 滑 阀 的 阀 芯 旋 转 , 由 于 活 塞 尚 未 移 动 使 滑 阀 的 阀 芯 产 生 一 定 的 轴 向 位 移 , 阀 口 打 开 , 压 力 油 进 入 液 压 缸 使 活 塞 外 伸 同 时 反 馈 螺 母 带 动 滑 阀 的 阀 芯 退 回 零 位 , 活 塞 停 止 运 动 。 如 果 连 续 输 入 脉 冲 电 液 步 进 液 压 缸 即 按 一 定 的 速 度 外 伸 , 改 变 输 入 脉 冲 的 频 率 即 可 改 变 活 塞 的 速 度 。 图 1 电 液 步 进 液 压 缸 是 增 量 式 数 字 控 制 电 液 伺 服 元 件 , 即 步 进 电 机 作 电 信 号 - 机 械 位 移 的 转 换 元 件 。 图 图 2 2 是 增 量 式 数 字 控 制 电 液 伺 服 元 件 的 控 制 方 框 图 。 微 机 发 出 控 制 脉 冲 序 列 经 驱 动 电 源 放 大 驱 动 步 进 电 机 运 动 。 步 进 电 机 的 运 动 严 格 与 液 压 力 放 大 器 的 运 动 成 比 , 即 微 机 的 控 制 脉 冲 严 格 控 制 电 液 步 进 液 压 缸 的 运 动 : 电 液 步 进 液 压 缸 的 位 移 与 控 制 脉 冲 的 总 数 成 正 比 ; 而 电 液 步 进 液 压 缸 的 运 动 速 度 与 控 制 脉 冲 的 频 率 成 正 比 。 因 此 , 电 液 步 进 液 压 缸 的 控 制 就 在 于 步 进 电 机 的 控 制 。 步 进 电 机 可 以 采 用 微 计 算 机 或 可 编 程 控 制 器 ( PLC) 进 行 控 制 。 PLC 具 有 通 用 性 强 、 可 靠 性 高 、 指 令 系 统 简 单 、 编 程 简 便 易 学 、 易 于 掌 握 、 体 积 小 、 维 修 工 作 少 、 现 场 接 口 安 装 方 便 等 一 系 列 优 点 。 因 而 目 前 绝 大 部 分 采 用 液 压 传 动 的 系 统 , 如 大 型 组 合 机 床 、 加 工 中 心 、 轧 钢 机 的 压 下 机 构 和 轧 辊 磨 床 的 进 给 机 构 等 均 采 用 PLC 控 制 技 术 ; 而 电 液 步 进 液 压 缸 的 PLC 控 制 只 占 用 PLC 的 3 5 个 I/ O 接 口 及 几 十 Bit 的 内 存 , 且 可 以 省 去 电 液 步 进 液 压 缸 的 控 制 微 机 使 控 制 系 统 简 洁 、 成 本 显 著 下 降 , 可 靠 性 大 大 提 高 , 更 显 示 出 其 卓 越 的 性 能 。 1 电 液 步 进 液 压 缸 的 PLC 控 制 方 法 电 液 步 进 液 压 缸 的 控 制 主 要 有 三 个 因 素 : (1) 活 塞 行 程 控 制 。 由 电 液 步 进 液 压 缸 的 工 作 原 理 和 特 性 可 知 电 液 步 进 液 压 缸 的 活 塞 位 移 正 比 于 所 输 入 的 控 制 脉 冲 个 数 ; 因 此 可 以 根 据 电 液 伺 服 机 构 的 位 移 量 确 定 PLC 输 出 的 脉 冲 个 数 : n = L / (1) 式 中 : L 电 液 伺 服 机 构 的 位 移 量 ( mm) ; 电 液 伺 服 机 构 的 脉 冲 当 量 ( mm/ 脉 冲 ) 。 (2) 活 塞 速 度 控 制 。 电 液 步 进 液 压 缸 的 活 塞 速 度 取 决 于 输 入 的 脉 冲 频 率 ; 因 此 可 以 根 据 电 液 伺 服 机 构 的 速 度 , 确 定 其 PLC 输 出 的 脉 冲 频 率 : f = vf / 60 ( Hz) (2) 式 中 : vf 电 液 伺 服 机 构 的 进 给 速 度 ( mm/ min) 。 (3) 活 塞 运 动 方 向 控 制 。 电 液 步 进 液 压 缸 的 运 动 方 向 由 步 进 电 机 的 转 向 进 行 控 制 。 步 进 电 机 的 转 向 可 以 通 过 改 变 步 进 电 机 各 绕 组 的 通 电 顺 序 来 改 变 其 转 421 机 床 与 液 压 20041No14 向 ; 如 三 相 步 进 电 机 通 电 顺 序 为 A - AB - B - BC - C - CA - A 时 步 进 电 机 正 转 ; 当 绕 组 按 A - AC - C - CB - B - BA - A 顺 序 通 电 时 步 进 电 机 反 转 。 因 此 可 以 通 过 PLC 输 出 的 方 向 控 制 信 号 改 变 硬 件 环 行 分 配 器 的 输 出 顺 序 来 实 现 , 或 经 编 程 改 变 输 出 脉 冲 的 顺 序 来 改 变 步 进 电 机 绕 组 的 通 电 顺 序 实 现 。 2 电 液 步 进 液 压 缸 的 伺 服 控 制 、 驱 动 及 接 口 211 电 液 步 进 液 压 缸 控 制 系 统 的 组 成 电 液 步 进 液 压 缸 的 控 制 系 统 由 可 编 程 控 制 器 、 环 行 脉 冲 分 配 器 和 步 进 电 机 功 率 驱 动 器 组 成 , 其 结 构 见 图 3。 控 制 系 统 中 PLC 用 来 产 生 控 制 脉 冲 ; 通 过 PLC 图 3 编 程 输 出 一 定 数 量 的 方 波 脉 冲 , 控 制 步 进 电 机 的 转 角 进 而 控 制 电 液 步 进 液 压 缸 的 运 动 ; 同 时 通 过 编 程 控 制 脉 冲 频 率 , 既 电 液 步 进 液 压 缸 活 塞 的 速 度 ; 环 行 脉 冲 分 配 器 将 可 编 程 控 制 器 输 出 的 控 制 脉 冲 按 步 进 电 机 的 通 电 顺 序 分 配 到 相 应 的 绕 组 。 PLC 控 制 的 步 进 电 机 可 以 采 用 软 件 环 行 分 配 器 , 也 可 以 采 用 硬 件 环 行 分 配 器 。 采 用 软 环 占 用 的 PLC 资 源 较 多 , 特 别 是 步 进 电 机 绕 组 相 数 M 4 时 , 对 于 大 型 生 产 线 应 该 予 以 充 分 考 虑 。 采 用 硬 件 环 行 分 配 器 , 虽 然 硬 件 结 构 稍 微 复 杂 些 , 但 可 以 节 省 占 用 PLC 的 I/ O 口 点 数 , 目 前 市 场 有 多 种 专 用 芯 片 可 以 选 用 。 步 进 电 机 功 率 驱 动 器 将 PLC 输 出 的 控 制 脉 冲 放 大 到 几 十 上 百 伏 特 、 几 安 十 几 安 的 驱 动 能 力 。 一 般 PLC 的 输 出 接 口 具 有 一 定 的 驱 动 能 力 , 而 通 常 的 晶 体 管 直 流 输 出 接 口 的 负 载 能 力 仅 为 十 几 几 十 伏 特 、 几 十 几 百 毫 安 。 但 对 于 功 率 步 进 电 机 则 要 求 几 十 上 百 伏 特 、 几 安 十 几 安 的 驱 动 能 力 , 因 此 应 该 采 用 驱 动 器 对 输 出 脉 冲 进 行 放 大 。 212 可 编 程 控 制 器 的 接 口 如 电 液 步 进 液 压 缸 采 用 硬 件 环 行 分 配 器 , 则 占 用 PLC 的 I/ O 口 点 数 少 于 5 点 , 一 般 仅 为 3 点 。 其 中 I 口 占 用 一 点 , 作 为 启 动 控 制 信 号 ; O 口 占 用 2 点 , 一 点 作 为 PLC 的 脉 冲 输 出 接 口 , 接 至 伺 服 系 统 硬 环 的 时 钟 脉 冲 输 入 端 , 另 一 点 作 为 步 进 电 机 转 向 控 制 信 号 , 接 至 硬 环 的 相 序 分 配 控 制 端 , 如 图 4 所 示 ; 伺 服 系 统 采 用 软 件 环 行 分 配 器 时 , 其 接 口 如 图 5。 图 4 图 5 3 电 液 步 进 液 压 缸 PLC 控 制 的 软 件 逻 辑 由 电 液 步 进 液 压 缸 的 PLC 控 制 方 法 可 知 , 应 使 步 进 电 机 的 输 入 脉 冲 总 数 和 脉 冲 频 率 受 到 相 应 的 控 制 。 因 此 在 控 制 软 件 上 设 置 一 个 脉 冲 总 数 和 脉 冲 频 率 可 控 的 脉 冲 信 号 发 生 器 ; 对 于 频 率 较 低 的 控 制 脉 冲 可 以 利 用 PLC 中 的 定 时 器 构 成 , 如 图 6 所 示 。 脉 冲 频 图 6 率 可 以 通 过 定 时 器 的 定 时 常 数 控 制 脉 冲 周 期 , 脉 冲 总 数 控 制 则 可 以 设 置 一 脉 冲 计 数 器 C10。 当 脉 冲 数 达 到 设 定 值 时 , 计 数 器 C10 动 作 切 断 脉 冲 发 生 器 回 路 , 使 其 停 止 工 作 。 电 液 步 进 液 压 缸 的 步 进 电 机 无 脉 冲 输 入 时 便 停 止 运 转 , 电 液 步 进 液 压 缸 活 塞 定 位 。 电 液 步 进 液 压 缸 速 度 要 求 较 高 时 , 可 以 用 PLC 中 的 高 速 脉 冲 发 生 器 。 不 同 的 PLC 其 高 速 脉 冲 的 频 率 可 达 6000 10000Hz。 对 于 的 电 液 步 进 液 压 缸 动 态 特 性 , 其 频 率 可 以 得 到 充 分 满 足 。 4 应 用 实 例 与 结 论 (1) 对 PLC 控 制 的 电 液 步 进 液 压 缸 开 环 伺 服 机 构 进 行 了 测 试 , 其 性 能 完 全 可 以 满 足 系 统 的 技 术 要 求 。 控 制 软 件 结 构 合 理 , 接 口 可 靠 。 (2) 将 PLC 控 制 的 电 液 步 进 液 压 缸 用 于 某 大 型 生 产 线 的 数 控 滑 台 , 每 个 滑 台 仅 占 用 4 个 I/ O 接 口 , 节 省 了 微 机 控 制 系 统 , 进 给 速 度 为 vf = 011 212m/ min , 完 全 满 足 工 艺 要 求 和 加 工 精 度 要 求 , 工 作 可 靠 。 参 考 文 献 【 1】 机 电 一 体 化 技 术 手 册 编 委 会 1 机 电 一 体 化 技 术 手 册 1 北 京 : 机 械 工 业 出 版 社 , 1999131 【 2】 李 仁 定 1 电 机 的 微 机 控 制 . 北 京 : 机 械 工 业 出 版 社 , 19991101 【 3】 杨 长 能 等 1 可 编 程 序 控 制 器 基 础 及 应 用 1 重 庆 : 重 庆 大 学 出 版 社 11992111 【 4】 康 晶 等 1 组 合 机 床 中 数 控 滑 台 的 PLC 控 制 1 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 , 2002 (8) 1 作 者 简 介 : 康 晶 : 男 , 195715 出 生 于 沈 阳 , 教 授 , 工 学 硕 士 , 从 事 数 控 及 机 电 控 制 技 术 方 面 的 科 研 与 教 学 工 作 。 收 稿 时 间 : 2003 - 03 - 28 521 机 床 与 液 压 20041No14
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