基于觸摸屏和PLC的金相切割機(jī)控制系統(tǒng)

　　0 引 言

　　金相切割機(jī)是金相取樣分析過程中的重要設(shè)備之一，主要用于金相試樣的截取和各種材料的下料、切口等，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、汽車、航空航天等領(lǐng)域。目前，國內(nèi)金相試樣切割設(shè)備形式多樣，以微處理器為基礎(chǔ)的各種制樣設(shè)備代表著金相制備的先進(jìn)技術(shù)，但是自動(dòng)化程度較低，不能直接對(duì)較大零件進(jìn)行取樣。為了滿足行業(yè)的要求，促進(jìn)金相事業(yè)的發(fā)展，需要設(shè)計(jì)高精度、高性能和方便操作的金相切割控制系統(tǒng)。這里根據(jù)金相取樣的特殊要求，設(shè)計(jì)以PLC為核心的控制系統(tǒng)，采用觸摸屏作為人機(jī)交互設(shè)備，彌補(bǔ)了PLC在人機(jī)交互方面的不足，大大減少了輸入/輸出點(diǎn)數(shù)，方便操作與維修，為用戶提供了友好的人機(jī)界面。

　　1 工作原理

　　金相切割機(jī)控制系統(tǒng)是金相取樣的專用設(shè)備。為了保護(hù)金屬試樣的組織結(jié)構(gòu)和特性，對(duì)于不同屬性的金屬應(yīng)采取不同的切割速度和切割模式。在該系統(tǒng)中，設(shè)置了三個(gè)操作窗口(測(cè)試操作、手動(dòng)操作、自動(dòng)操作)和一個(gè)高級(jí)設(shè)置窗口，一個(gè)切割過程觀察窗口。其中，自動(dòng)操作包括三種模式：勻速切割、進(jìn)三退一切割、逐層切割。不同切割模式的用戶可以在觸摸屏的不同窗口設(shè)定需要的切割工藝參數(shù)，再通過PLC設(shè)定與之相應(yīng)的參數(shù)調(diào)用控制指令，驅(qū)動(dòng)切割機(jī)按照要求對(duì)金相試樣進(jìn)行切割。其中，PLC與變頻器通過串行通信方式對(duì)三相異步電機(jī)調(diào)速，采用USS協(xié)議對(duì)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制和監(jiān)視。

　　2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求及思路

　　根據(jù)金相切割機(jī)發(fā)展?fàn)顩r和市場(chǎng)需求，本著提高效率，增強(qiáng)可靠性能，提高性價(jià)比的原則，設(shè)計(jì)的金相切割機(jī)應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能：能夠根據(jù)零件尺寸的不同選擇不同的切割方式;在過程控制中，能夠根據(jù)不同的切割材料、硬度、尺寸調(diào)節(jié)切割速度;根據(jù)零件寬度或長(zhǎng)度，確定砂輪的進(jìn)刀速度、軸的運(yùn)動(dòng)速度和位移量;根據(jù)砂輪片磨損情況和零件直徑，確定砂輪切割的快進(jìn)位置和退刀位置;能自動(dòng)控制監(jiān)控切割量、進(jìn)給速度、主電機(jī)轉(zhuǎn)速等切割參數(shù);人機(jī)交流界面便捷、美觀。

　　為了滿足切割及控制的技術(shù)要求，同時(shí)也為了提高機(jī)械產(chǎn)品的自動(dòng)化程度，這里著重從PLC控制和觸摸屏設(shè)計(jì)兩方面對(duì)金相試樣切割機(jī)進(jìn)行了研究。

　　3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　切割機(jī)系統(tǒng)的主要組成見圖1所示的系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖。

　　系統(tǒng)的執(zhí)行部件主要包括一臺(tái)三相異步電機(jī)和三臺(tái)步進(jìn)電機(jī)。三相異步電機(jī)采用變頻器進(jìn)行變頻調(diào)速，步進(jìn)電機(jī)由專用的驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)核心PLC控制器發(fā)出控制命令信號(hào)，使異步電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，完成切割過程。

　　3.1 主控制系統(tǒng)

　　PLC是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。PLC是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一種數(shù)字運(yùn)算操作電子裝置，是帶有存儲(chǔ)器、可以編制程序的控制器。它能夠存儲(chǔ)和執(zhí)行指令，進(jìn)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作，并通過數(shù)字式和模擬式輸入/輸出，控制各種類型的機(jī)械和生產(chǎn)過程。它具有體積小，功能強(qiáng)，編程方便，可靠性高，耐惡劣環(huán)境能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。該系統(tǒng)采用OM-RON公司的CP1 H X40DT-D程序一體化PLC?？蓪?shí)現(xiàn)高速計(jì)數(shù)器4軸、脈沖輸出4軸;通過擴(kuò)展CPM1A系列的擴(kuò)展I/O單元。CP1H整體可以達(dá)到最大320點(diǎn)的輸入/輸出;通過安裝選件板，可進(jìn)行RS 232C通信或RS 422A/485通信。

　　3.2 變頻器調(diào)速系統(tǒng)

　　在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時(shí)，電機(jī)磁通量是需要考慮的一個(gè)重要因素，如果磁通量太弱，電機(jī)會(huì)出現(xiàn)欠磁通，勢(shì)必會(huì)給電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩帶來很大影響。因?yàn)椋?/p>

　　Tm=KTφmI2COSψ2 (1)

　　式中：Tm是電磁轉(zhuǎn)矩;KT為比例系數(shù);φm是主磁通量;I2是轉(zhuǎn)子電流;cosψ2是轉(zhuǎn)子回路的功率因數(shù)。

　　由式(1)可知，電機(jī)磁通量的降低直接影響電磁轉(zhuǎn)矩的減小。因此，在改變電機(jī)頻率時(shí)，應(yīng)該對(duì)電機(jī)電壓進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，以維持電機(jī)磁通的恒定。根據(jù)切割機(jī)的主電機(jī)參數(shù)，該系統(tǒng)選用Siemens公司的MM420變頻器，通過設(shè)定變頻器輸出功率的變化來控制主電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，兩者之間近似呈線性關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)了無級(jí)調(diào)速的目的。PLC為漏型晶體管輸出，與變頻器的通訊采用基于USS協(xié)議的串行口RS 485通信方式。這里，為了確保系統(tǒng)安全運(yùn)行，必須將變頻器接地端可靠接地。

　　3.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

　　步進(jìn)電機(jī)是可以將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的電磁機(jī)械裝置。給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)按照設(shè)定方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角。電機(jī)轉(zhuǎn)速與輸入脈沖頻率保持同步。該系統(tǒng)中通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，達(dá)到定位精確的目的;通過控制脈沖頻率控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。x，y，z三向步進(jìn)電機(jī)分別由3個(gè)MS-2H090M型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)，每向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器包括使能輸入端EN，步進(jìn)脈沖輸入端CP和方向電平信號(hào)輸入端DIR。