由于數(shù)控剪床的控制功能比其它數(shù)控機(jī)床較為簡(jiǎn)單，控制精度要求亦沒(méi)有其它數(shù)控機(jī)床那么高，使得小型PLC+觸摸屏+步進(jìn)系統(tǒng)在數(shù)控剪床的應(yīng)用成為可能。

1 剪床數(shù)控系統(tǒng)的要求

　　最小脈沖當(dāng)量：0.01mm

　　控制軸數(shù)：1軸

　　定位速度：3n/min

　　最大剪切長(zhǎng)度：2.5m

2 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)備的選型

　　2.1 PLC的選型

　　由定位速度及最小脈沖量可計(jì)算可伺服系統(tǒng)所需的脈沖頻率為：3×1000／(60×0.01)=5000Hz。綜合當(dāng)前的小型PLC的外設(shè)接口及脈沖輸出功能及性價(jià)比，發(fā)現(xiàn)歐姆龍CPM2AH小型PLC是很好的選擇。表1是CPM2AH的部分性能規(guī)格。

　　從表1中可看出，歐姆龍新型的CPM2AH小型PLC有一路帶有波形加速／減速，頻率范圍為10Hz～10kHz，并且有方向控制的脈沖輸出，能完全滿足系統(tǒng)要求。而且歐姆龍CPM2AH含有兩個(gè)通信功能口，一個(gè)外設(shè)端口，一個(gè)RS一232串行通信口。外設(shè)口可通過(guò)增加CPMlA—CIFl2適配器或CPM1-CIF01適配器轉(zhuǎn)換為Rs485口或RS-232口，即CPM2AH的通信口經(jīng)轉(zhuǎn)換后可變?yōu)橐粋€(gè)RS485口和一個(gè)RS-232口，或可變?yōu)?個(gè)RS-232口。其中一個(gè)RS-232口需與觸摸屏連接進(jìn)行人機(jī)界面通信，至于將外設(shè)口轉(zhuǎn)換成那種通信口則主要看用戶需要將PLC連接到什么控制網(wǎng)而定，在這里由于剪床是單獨(dú)運(yùn)行，所以外設(shè)口無(wú)需轉(zhuǎn)換。同時(shí)，斷電保持功能位的數(shù)量，足以保存斷電時(shí)剪床的當(dāng)前狀態(tài)。

　　2.2 人機(jī)界面的選型

　　目前，觸摸屏技術(shù)相當(dāng)成熟，生產(chǎn)廠家眾多，在本次應(yīng)用中采用的是Pro-face GP系列產(chǎn)品GP270S觸摸屏，其供電方式為DC24V。其外部接口功能見(jiàn)表2。

　　其中GP270S觸摸屏串行接口支持歐姆龍PLC的0mRon SYSMAC—C SERIES通信協(xié)議，而人機(jī)界面的編程和編輯則采用ProPB3win專門軟件開(kāi)發(fā)。

　　2.3 控制方式的選擇

　　由于控制精度不高，控制系統(tǒng)采用開(kāi)環(huán)控制已能滿足系統(tǒng)要求。因而，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用步進(jìn)系統(tǒng)。

　　2.4 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇

　　步進(jìn)電機(jī)是一種離散運(yùn)動(dòng)的裝置，它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國(guó)內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛。步進(jìn)電機(jī)通常分為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)和混合式步進(jìn)電機(jī)。而混合式步進(jìn)電機(jī)既具有反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)步距角小和工作頻率較高的特點(diǎn)，又具有永磁式步進(jìn)電機(jī)控制功率小和低頻振蕩小的特點(diǎn)，是步進(jìn)伺服系統(tǒng)的首選電機(jī)。但步進(jìn)電機(jī)較交流伺服電機(jī)仍然存在以下一些特征，選型及編寫程序時(shí)需充分考慮。

　　(1)控制精度。兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為3.6°、1.8°，五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為0.720、0.36。。

　　(2)低頻特性。步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。振動(dòng)頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動(dòng)器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動(dòng)頻率為電機(jī)空載起跳頻率一半。這種由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的低頻振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速時(shí)，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來(lái)克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象，比如在電機(jī)上的加阻尼器，或驅(qū)動(dòng)器上采用細(xì)分技術(shù)等。

　　(3)矩頻特性。步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300～600rpm。

　　(4)運(yùn)行性能。步進(jìn)電機(jī)的控制為開(kāi)環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過(guò)高或負(fù)載過(guò)大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)高易出現(xiàn)過(guò)沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問(wèn)題。

　　由于步進(jìn)電機(jī)存在以上特性，所以將其最高轉(zhuǎn)速控制在600rpm。步進(jìn)電機(jī)的步距角為：600×360／(60×5000)=0.72°。結(jié)合當(dāng)前步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)況，采用五相混合式步進(jìn)電機(jī)正好滿足系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)角的要求。在本步進(jìn)系統(tǒng)中，采用110BH550B型五相混合式步進(jìn)電機(jī)，同時(shí)還采用了MC系列步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器。由于步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)含脈沖分配器和驅(qū)動(dòng)電源，因而只需PLC輸出一組脈沖信號(hào)給步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器就能控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)然改變PLC輸出的脈沖頻率及轉(zhuǎn)向控制信號(hào)，就能控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。擋料板進(jìn)給機(jī)構(gòu)采用兩對(duì)滾珠絲桿螺母副，兩對(duì)滾珠絲桿之間采用同步帶驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)比為1：1，同步電機(jī)與主動(dòng)滾珠桿采用同步帶驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)比為2：1。由于定位精度不高，滾珠絲桿可采用扎制滾珠絲桿，定位距離較長(zhǎng)滾珠絲桿采用公稱直徑DN=40mm，導(dǎo)程P=10mm，L=2500mm，并安裝兩條圓柱導(dǎo)軌作導(dǎo)向，滾珠絲桿兩端采用圓錐滾子軸承固定。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　(1)系統(tǒng)功能。①利用觸摸屏輸入剪切長(zhǎng)度及數(shù)量；②系統(tǒng)上電后能自動(dòng)返回起點(diǎn)位置；③觸摸屏控制剪床主電機(jī)的啟停；④觸摸屏顯示當(dāng)前剪切長(zhǎng)度和數(shù)量及剩余數(shù)量，并可查看100個(gè)剪切歷史記錄；⑤能自動(dòng)計(jì)算當(dāng)前位置與當(dāng)前剪切長(zhǎng)度的距離和移動(dòng)方向，元需每次返回起點(diǎn)；⑥剪切任務(wù)完成提示。

　　(2)系統(tǒng)原理。數(shù)控剪床的控制原理圖1所示。

圖1數(shù)控剪床控制原理圖

　　系統(tǒng)上電后，擋料板自動(dòng)返回起點(diǎn)位置，然后由觸摸屏輸入剪切長(zhǎng)度、剪切數(shù)量并啟動(dòng)控制元件接通剪板機(jī)主電機(jī)源，另外控制元件還起到起點(diǎn)檢測(cè)作用和剪切數(shù)量累計(jì)的作用，PLC根據(jù)當(dāng)前位置和觸摸屏輸入的剪切長(zhǎng)度結(jié)合系統(tǒng)的最小脈沖當(dāng)量及定位速度計(jì)算出所需脈沖頻率及脈沖數(shù)量(步進(jìn)電機(jī)加、減、均速過(guò)程的脈沖頻率和脈沖數(shù))后，由CPM2AH的脈沖輸出點(diǎn)向步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行脈沖輸出，使步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)擋料板進(jìn)行剪切長(zhǎng)度定位。

　　(3)PLC軟件設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)功能需求，CPM2AHPLC的軟件設(shè)計(jì)流程如圖2、圖3所示。

圖2 CPM2AH與計(jì)算機(jī)的連接

圖3歐姆龍pLC程序流程

　　在PLC程序編寫時(shí)需要注意，CPM2AH必須要CX—Pmgmmmer3．0或以上版本才能支持。CPM2AH采用9孔R(shí)S-232口與電腦進(jìn)行在線連接。

　　(4)觸摸屏軟件設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)功能需求，的軟件設(shè)計(jì)流程如圖4、圖5所示。

圖4CPM2AH與GP270s觸摸屏的連接

圖5觸摸屏程序流程

　　當(dāng)然，我們?cè)谟|摸屏編程時(shí)可以更靈活一些，如在每個(gè)人機(jī)界面可以增加一些功能鍵，直接進(jìn)行歷史查詢界面或直接返回主畫面等，而不一定要任務(wù)完成才能返回。

　　GP270S觸摸屏采用Pr0PB3win軟件進(jìn)行人機(jī)界面編程和編輯，由于ProPB3win已有大量的圖形庫(kù)及其強(qiáng)大的界面編輯功能，使用十分方便。在對(duì)觸摸屏編程前需先對(duì)觸摸屏進(jìn)行各種數(shù)據(jù)的初始化。在人機(jī)界面的編程和編輯中要注意界面所輸入的數(shù)據(jù)和要顯示的數(shù)據(jù)要直指PLC對(duì)應(yīng)的寄存器。GP270S的通信口為25孔，與CPM2AH的9孔R(shí)S-232的連接線焊接方法見(jiàn)圖4。

　　(5)PLC程序(略)。

　　(6)使用注意事項(xiàng)：①由于脈沖當(dāng)量達(dá)0．01mm，所以剪床的剪刀要保持鋒利，不能起毛邊，否則剪切精度將受到影響。②每次開(kāi)機(jī)或使用中突然停電后再次開(kāi)機(jī)，需待擋料板返回起點(diǎn)后才能進(jìn)行操作。本文通過(guò)對(duì)歐姆龍PLC在數(shù)控剪床中應(yīng)用的論述，提出了在采用小型PLC、觸摸屏、步進(jìn)系統(tǒng)等方面的經(jīng)驗(yàn)。