【摘 要】：本文介紹了利用臺(tái)達(dá)DOP-A57BSTD觸摸屏（HMI）、DVP-28SV11T可編程控制器（PLC）與ASD-B系列交流伺服、VFD-M系列變頻器，實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)沖床的精確控制，使沖床操作更加方便、定位更加準(zhǔn)確的同時(shí)，大大提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，為企業(yè)贏得更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
【關(guān)鍵詞】：自動(dòng)沖床 PLC HMI 伺服電機(jī) 變頻器 重復(fù)定位精度
1 .引言
海寧某太陽(yáng)能機(jī)械配件生產(chǎn)企業(yè)，原來(lái)主要生產(chǎn)太陽(yáng)能熱水器的配件為主，由于國(guó)內(nèi)近年來(lái)太陽(yáng)能熱水器產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，帶動(dòng)了其配件行業(yè)的壯大，但是其裝備業(yè)還停留在原有基礎(chǔ)上，以通用沖床設(shè)備加簡(jiǎn)易工裝來(lái)實(shí)現(xiàn)，無(wú)法滿足大批量、高質(zhì)量產(chǎn)品的需求，迫切需要專用的自動(dòng)沖床來(lái)滿足日益擴(kuò)大的生產(chǎn)需要。應(yīng)客戶請(qǐng)求，配套開發(fā)應(yīng)用于太陽(yáng)能熱水器行業(yè)專用的自動(dòng)沖床控制系統(tǒng)。
（圖1） 自動(dòng)沖床
2 .自動(dòng)沖床簡(jiǎn)介
本系統(tǒng)采用臺(tái)達(dá)新一代高性能PLC---DVP28SV11T，作為該控制系統(tǒng)的控制器，該P(yáng)LC是臺(tái)達(dá)針對(duì)市場(chǎng)多軸傳動(dòng)控制開發(fā)的PLC產(chǎn)品，可以輕松實(shí)現(xiàn)4軸200K高速脈沖輸出，支持兩軸圓弧和直線插補(bǔ)。
考慮到行業(yè)產(chǎn)品多規(guī)格、多品種的要求，該系統(tǒng)采用臺(tái)達(dá)DOPAE57BSTD觸摸屏作為人機(jī)數(shù)據(jù)交換的平臺(tái)，大大方便了用戶進(jìn)行參數(shù)修改、監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)、故障查詢和運(yùn)行操作。
進(jìn)給送料的定位精度和重復(fù)定位精度是沖床系統(tǒng)的重要指標(biāo)，也是生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品和高生產(chǎn)效率的保證。送料系統(tǒng)采用臺(tái)達(dá)新一代伺服產(chǎn)品ASD-B系列，滿足控制精準(zhǔn)和高響應(yīng)性的要求。
沖床的沖壓部采用臺(tái)達(dá)VFD-M迷你型矢量變頻器控制，滿足用戶沖壓速度無(wú)級(jí)可調(diào)的要求，可以根據(jù)生產(chǎn)要求調(diào)節(jié)沖壓速度。
2.1基本架構(gòu)
自動(dòng)沖床系統(tǒng)包括沖壓部、物料夾鉗、X軸送料機(jī)構(gòu)、Y軸送料機(jī)構(gòu)、變頻調(diào)速控制、伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和操作臺(tái)等組成。
2.2 動(dòng)作流程
手動(dòng)方式：沖床的動(dòng)作以步進(jìn)的方式工作，每完成一個(gè)動(dòng)作，按一下“啟動(dòng)”按鈕，執(zhí)行下一步動(dòng)作，直至沖壓整個(gè)動(dòng)作完成，并停在原點(diǎn)位置，等待下次任務(wù)。
在手動(dòng)模式下，不考慮沖頭和X軸送料的配合，屏蔽安裝在沖壓部大飛輪上的進(jìn)料檢測(cè)用接近開關(guān)。該模式主要用于調(diào)試和新產(chǎn)品試產(chǎn)。
自動(dòng)方式：
自動(dòng)模式就是通過程序進(jìn)行控制送料和沖壓的整個(gè)過程，X軸進(jìn)給的控制通過安裝在沖壓部飛輪上的兩個(gè)接近開關(guān)，來(lái)檢測(cè)沖壓部運(yùn)行的位置，其中一個(gè)接近開關(guān)作為沖壓完成，開始送料信號(hào)，另一個(gè)接近開關(guān)作為停止送料信號(hào)，如果X軸在此信號(hào)到來(lái)前還沒有完成送料，系統(tǒng)報(bào)警并停機(jī)，確保不產(chǎn)生次品，保證產(chǎn)品質(zhì)量。
自動(dòng)模式流程見上圖，在執(zhí)行自動(dòng)流程時(shí)，沖壓部是一直在工作的，X軸的送料是在沖壓部沖壓完成離開工件到下一次到達(dá)工件之間完成的，送料啟動(dòng)信號(hào)是安裝在沖壓部飛輪上接近開關(guān)信號(hào)。
3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)及選型
3.1沖壓部傳動(dòng)系統(tǒng)
沖壓部采用臺(tái)達(dá)VFD-M變頻器拖動(dòng)三相異步電機(jī)，功率為5.5KW，額定轉(zhuǎn)速1440轉(zhuǎn)/min。PLC通過MODBUS RS485通訊方式控制變頻器的啟動(dòng)/停止和調(diào)速，參數(shù)設(shè)置和操作在HMI上實(shí)現(xiàn)。
沖壓部速度設(shè)定值，決定X軸送料的最小速度。因?yàn)閄軸每次送料時(shí)間必須小于沖壓部上下往返一次的時(shí)間，否則就會(huì)拉壞工件或者沖錯(cuò)位置，造成次品。
X軸送料時(shí)間（t）和沖壓部變頻器設(shè)定頻率(f)關(guān)系如下：
t = f / 50 *（60/1440） （單位：秒）
假設(shè)變頻器設(shè)定頻率為50HZ，則X軸每次送料的最大時(shí)間為0.0417秒。
3.2送料傳動(dòng)系統(tǒng)
送料傳動(dòng)部分采用臺(tái)達(dá)ASD-B系列交流伺服系統(tǒng)，通過1：1傳動(dòng)比的帶動(dòng)滾珠絲桿，驅(qū)動(dòng)送料工作臺(tái)前進(jìn)和后退。
X軸采用臺(tái)達(dá)小慣量1KW伺服電機(jī)，型號(hào)：驅(qū)動(dòng)器ASD-B1021-A，電機(jī)ECMA-C31010ES。
Y軸采用臺(tái)達(dá)小慣量0.4KW伺服電機(jī)，型號(hào)：驅(qū)動(dòng)器ASD-B0421-A，電機(jī)ECMA-C30804E7。
X軸絲桿導(dǎo)程：20mm；
Y軸絲桿導(dǎo)程：10mm；
設(shè)計(jì)要求：送料精度要求：>0.01mm；
X軸送料速度：>20米/min；
Y軸送料速度：>10米/min；
控制精度計(jì)算如下：
最小送料距離 = s / p*i
s：絲杠導(dǎo)程
p：每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)=10000Pulse
i：減速比=1
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通過以下計(jì)算得出單個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的送料長(zhǎng)度，即為控制精度。
X軸最小送料距離=20mm/10000*1=0.002mm
Y軸最小送料距離=10mm/10000*1=0.001mm
以上計(jì)算，X軸和Y軸的最小送料距離均小于0.01mm，滿足設(shè)計(jì)要求。
速度要求計(jì)算如下：
送料速度=f/p*s*i*60
f：控制脈波頻率(最大輸出頻率=200K)
p：每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)=10000Pulse
s：絲杠導(dǎo)程
i：減速比=1 |
X軸最大速度=200K/10000*20*1*60=24000mm/min=24m/min>15m/min,滿足速度設(shè)計(jì)要求。
Y軸最大速度=200K/10000*10*1*60=12000mm/min=12m/min>10m/min,滿足速度設(shè)計(jì)要求。
以上是不采取電子齒輪比的情況下計(jì)算所得，如果采用電子齒輪比，伺服馬達(dá)工作在最大轉(zhuǎn)速（3000rpm/min）情況下，最大速度：X軸可以達(dá)到60米/min，Y軸可以達(dá)到30米/min，但是，如果采用電子齒輪比，會(huì)降低送料的控制精度。
4.PLC與HMI選型
4.1輸入信號(hào)統(tǒng)計(jì)：
X軸送料手動(dòng)操作按鈕：手動(dòng)向左和手動(dòng)向右（2點(diǎn)）
Y軸送料手動(dòng)操作按鈕：手動(dòng)向前和手動(dòng)向后（2點(diǎn)）
X軸和Y軸原點(diǎn)信號(hào)：2點(diǎn)（接近開關(guān)）
自動(dòng)操作按鈕：自動(dòng)啟動(dòng)和自動(dòng)停止（2點(diǎn)）
沖頭位置信號(hào)：上位和下位（2點(diǎn)）---接近開關(guān)信號(hào)（NPN）
手動(dòng)夾鉗按鈕：1點(diǎn)
緊急停止按鈕：1點(diǎn)
手動(dòng)/自動(dòng)切換：1點(diǎn)（切換開關(guān)）
以上總計(jì)輸入點(diǎn)數(shù)：13點(diǎn)。
考慮到DVP28SV機(jī)種輸入點(diǎn)數(shù)有限（16點(diǎn)輸入），把X軸左右極限開關(guān)（2點(diǎn)）和Y軸前后極限信號(hào)（2點(diǎn)）直接接到伺服驅(qū)動(dòng)器上，減少硬件的擴(kuò)充，降低成本，同時(shí)，也提高了系統(tǒng)的安全可靠性。
4.2輸出信號(hào)統(tǒng)計(jì)：
脈沖輸出（Pulse+Sign）：4點(diǎn)（Y0，Y1）（Y2，Y3）
夾鉗電磁閥：1點(diǎn)
沖頭電磁鐵接觸器：1點(diǎn)
沖頭控制接觸器：1點(diǎn)
共7點(diǎn)
基于以上考慮，PLC選擇DVP-28SV11T。具體功能參數(shù)為：200Kpps脈沖輸出，16點(diǎn)輸入/12點(diǎn)輸出。臺(tái)達(dá)PLC和變頻器標(biāo)準(zhǔn)配置的RS485通訊口，滿足變頻器通訊控制的要求，也減少控制點(diǎn)數(shù)。
5.HMI畫面與PLC程序設(shè)計(jì)
6.1部分畫面示例：
6.2 PLC程序
主程序采用步進(jìn)指令實(shí)現(xiàn)，減少誤動(dòng)作的發(fā)生，簡(jiǎn)單明了，邏輯清晰。在控制精度保證上，整個(gè)程序的運(yùn)算全部采用浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，減少計(jì)算誤差，如：孔間距、Y軸進(jìn)給距離、手動(dòng)速度、自動(dòng)送料的速度等的設(shè)定，在換算成脈沖數(shù)或者脈沖頻率的過程中，全部采用浮點(diǎn)運(yùn)算。經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，計(jì)算誤差小于0.001mm。
其次，考慮到絲杠在正反運(yùn)行中的背隙問題，本程序提供背隙的補(bǔ)償參數(shù)，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。
考慮到操作的便利性，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操作習(xí)慣，在手動(dòng)模式下，在任何階段都可以切換到自動(dòng)運(yùn)行，大大方便操作。
7.結(jié)束語(yǔ)
本控制系統(tǒng)雖說(shuō)達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，但是自動(dòng)化程度不是最高，用戶考慮到成本問題，上料和下料全部采用人工手動(dòng)的方式。如果在上料和下料工位，分別采用氣動(dòng)吸盤取料，伺服控制來(lái)控制物料的左右和上下移位，將大大提高設(shè)備的自動(dòng)化程度，完全可以做到無(wú)人操作。
本系統(tǒng)主要控制元件全部采用臺(tái)達(dá)機(jī)電產(chǎn)品，一體化的整合方案，既降低了設(shè)備的制造成本，也大大提高了系統(tǒng)的安全可靠性，充分體現(xiàn)了臺(tái)達(dá)機(jī)電產(chǎn)品高性能和高性價(jià)比的特點(diǎn)，為客戶贏得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
