基于 PLC和觸摸屏的電動(dòng)缸自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電動(dòng)缸是一種提供直線推力的運(yùn)動(dòng)裝置 , 是一種高響應(yīng)、長(zhǎng)壽命的執(zhí)行機(jī)構(gòu) , 在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用 , 包括 : 六自由度并聯(lián)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、娛樂(lè)仿真設(shè)備、生物測(cè)試設(shè)備、造波機(jī)、疲勞測(cè)試、飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度測(cè)試、動(dòng)態(tài)仿真等。

在電動(dòng)缸作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)中 , 電動(dòng)缸直接由伺服驅(qū)動(dòng)器控制 , 不再需要油、氣等中間媒介傳遞動(dòng)力 , 而采用油、氣等動(dòng)力傳遞媒介正是產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)仿真、測(cè)試系統(tǒng)控制誤差的主要原因 , 從而導(dǎo)致不準(zhǔn)確、使用不方便 , 所以電動(dòng)控制系統(tǒng)比液壓系統(tǒng)具有更優(yōu)越的控制性能 , 速度更快、承載能力更高、壽命更長(zhǎng)。系統(tǒng)的控制性能不會(huì)受環(huán)境溫度、易污染的液壓閥和流體介質(zhì)等因素影響 , 無(wú)需隨著使用環(huán)境條件變化而做相應(yīng)調(diào)整 , 減少設(shè)施投入和設(shè)備維護(hù) , 節(jié)省安裝空間且安裝拆卸、調(diào)試方便。同時(shí)系統(tǒng)也可使用220 V (單相或者三相 ) 交流電源 , 電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器之間的連線也非常簡(jiǎn)單 , 不再需要液壓系統(tǒng)中復(fù)雜的油泵、管路、冷卻系統(tǒng)以及其他附屬設(shè)施。

與氣缸相比 , 電動(dòng)缸可以應(yīng)用在那些不太適合使用高壓空氣的場(chǎng)合。與氣缸所產(chǎn)生的軸向運(yùn)動(dòng)相比 ,螺紋的使用使運(yùn)動(dòng)有了更高的速度和力矩。在最新的電動(dòng)伺服系統(tǒng)中 , 在控制速度、位置和扭矩時(shí) , 可以對(duì)每個(gè)動(dòng)作進(jìn)行設(shè)定。這個(gè)特點(diǎn)使一個(gè)簡(jiǎn)單的 圓柱體 成為一個(gè)真正的自動(dòng)化系統(tǒng) , 具有體積小、性能優(yōu)、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。電動(dòng)缸也可以采用滾柱絲杠技術(shù)使系統(tǒng)具有更高的機(jī)械剛性、更長(zhǎng)的使用壽命、更高的抗沖擊能力。高效堅(jiān)硬的滾珠絲桿適合做精確定位和長(zhǎng)距離往復(fù)運(yùn)動(dòng) , 適合大軸向載荷的往復(fù)運(yùn)動(dòng) , 并能夠獲得更高的可靠性和更長(zhǎng)的使用壽命。

而廠家提供的電動(dòng)缸出廠前需要進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)檢及功能測(cè)試。為使其功能能夠滿(mǎn)足客戶(hù)的需求 , 出廠測(cè)試顯得尤為重要。目前的測(cè)試手段基本上為人工手動(dòng)測(cè)試 , 這樣在測(cè)試上需要投入大量的時(shí)間和精力。

為提高檢驗(yàn)環(huán)節(jié)效率 , 需要一種專(zhuān)門(mén)的測(cè)試系統(tǒng)來(lái)代替人工測(cè)試 , 使整個(gè)測(cè)試更高效、準(zhǔn)確、全面。作者受某公司委托開(kāi)發(fā)這個(gè)測(cè)試系統(tǒng)。

1 測(cè)試系統(tǒng)的介紹及特殊要求

電動(dòng)缸的出廠測(cè)試項(xiàng)目主要包括行程測(cè)試、走合測(cè)試和速度測(cè)試 , 應(yīng)能根據(jù)所測(cè)對(duì)象的不同而進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置 , 所以該系統(tǒng)主要有 3個(gè)功能塊 :

(1) 行程測(cè)試。

該項(xiàng)測(cè)試需要設(shè)置前進(jìn)和后退兩個(gè)按鈕 , 按照設(shè)計(jì)要求對(duì)整套系統(tǒng)進(jìn)行全行程測(cè)試; 電機(jī)的運(yùn)行速度根據(jù)實(shí)際需要可方便調(diào)整 , 在最近端和最遠(yuǎn)端都停止 , 由外部測(cè)量機(jī)構(gòu)得到該缸的真實(shí)最大有效行程 (根據(jù)操作人員的工作習(xí)慣 ), 檢驗(yàn)其在最近端和最遠(yuǎn)端是否出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象或者轉(zhuǎn)矩過(guò)大的現(xiàn)象 ; 同時(shí)檢查最大行程是否滿(mǎn)足出廠規(guī)格。

( 2) 走合測(cè)試。

在規(guī)定的走合時(shí)間內(nèi) (一般為數(shù)個(gè)小時(shí) ) 整套系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)性測(cè)試。走合測(cè)試受按鈕控制 , 按下走合測(cè)試按鈕 , 電機(jī)開(kāi)始運(yùn)行并計(jì)時(shí) , 在所設(shè)置的范圍內(nèi)自動(dòng)往復(fù) ; 走合時(shí)間到 , 電機(jī)停止運(yùn)行。

( 3) 速度測(cè)試。

根據(jù)測(cè)試相關(guān)規(guī)程 , 電機(jī)設(shè)置低、中、高 3種速度進(jìn)行測(cè)試 , 分別設(shè) 3個(gè)按鈕控制。電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中 , 要求監(jiān)控并采集相關(guān)數(shù)據(jù) ,如電機(jī)速度、驅(qū)動(dòng)扭矩等 , 將數(shù)據(jù)用圖表顯示 , 并且進(jìn)行存儲(chǔ) , 方便檢查和調(diào)用。

為提高工作效率和充分利用現(xiàn)有設(shè)備的性能 , 系統(tǒng)采取了雙通道設(shè)計(jì) , 即單臺(tái) PLC控制兩臺(tái)電動(dòng)缸 ,提高效率、節(jié)約時(shí)間和成本。

對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言 , 需要測(cè)量的主要對(duì)象有電動(dòng)缸的最大有效行程、在較長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行的平穩(wěn)性、電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是測(cè)量對(duì)象中重要的一個(gè)參數(shù) , 反映了電機(jī)動(dòng)態(tài)性能是否達(dá)標(biāo) , 對(duì)實(shí)時(shí)性的要求很高。作者在設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮了現(xiàn)場(chǎng)需求、操作習(xí)慣、測(cè)量精度、采樣率、兼容性及價(jià)格等因素 , 對(duì)采用的元件進(jìn)行了選型。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用松下 PLC和 W einview 觸摸屏為控制核心單元?？删幊踢壿嬁刂破?(簡(jiǎn)稱(chēng) PLC) 是專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一種工業(yè)控制用計(jì)算機(jī) , 具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、體積小等優(yōu)點(diǎn) , 是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想裝置。

選用松下 FPX PLC, 是一種適用于小規(guī)模設(shè)備控制的小型通用 PLC, 具有 32 k步的程序容量和 0 32 s的程序容量 , 能夠利用 U SB通信端口與計(jì)算機(jī)直接連接 , 提供標(biāo)準(zhǔn) RS232C接口與顯示裝置通信 , 脈沖輸出頻率最大可達(dá) 100 kH z , 可以使用模擬定時(shí)器 ,提供 32路 24 V DC輸入和 28路晶體管輸出。 PLC內(nèi)部的可編程單元主要有輸入繼電器 X、輸出繼電器Y、定時(shí)器 T、數(shù)據(jù)寄存器 DT等等。

觸摸屏 為 威 綸 M T6056iV, 5 6 英 寸, 分辨 率320 234, 65 536色, 外接電壓為 24 V, 400MH z的處理器 , 有 64MBDDR2內(nèi)存和 128M B 閃存 , 通過(guò)組態(tài)軟件 EB8000 制作人機(jī)界面和操作軟件。

模擬信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換 , 出于需要采集負(fù)電壓的要求而選用 FP0A21模塊 , 且必須通過(guò)擴(kuò)展 FP0適配器與 FPX 配合工作 , 具有 16位 2個(gè)輸入通道和 1個(gè)輸出通道 , 具有較高的精度和較強(qiáng)的抗干擾性。

試驗(yàn)用電動(dòng)缸分別為松下公司 M INAS-A 4系列MSMA 152P1電機(jī) 配 套 MDDDT5540 驅(qū) 動(dòng) 器 和韓 國(guó)M acapion公司 AnyPack 系列 APM-SB04ADK 2電機(jī)配套 APD-VS04N 驅(qū)動(dòng)器。

在系統(tǒng) 中, 觸摸 屏 (HM I) 和 PLC 之間 采用RS232串行通信 , PLC根據(jù)程序設(shè)定以及外部輸入做出邏輯判斷 , 并且輸出 2路脈沖提供給 2個(gè)驅(qū)動(dòng)器 ,分別控制對(duì)應(yīng)電機(jī)的動(dòng)作。而驅(qū)動(dòng)器提供的模擬電信號(hào) (電 機(jī) 轉(zhuǎn)速 和 驅(qū)動(dòng) 轉(zhuǎn)矩 的 檢測(cè) 信 息 ) 均通 過(guò)FP0A 21模 塊進(jìn) 行 A /D 轉(zhuǎn)換, 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)從PLC編程處理后送入到工控觸摸屏中 , 且觸摸屏可以進(jìn)行數(shù)據(jù)圖表記錄和圖形顯示 , 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)缸的相關(guān)信息的在線監(jiān)測(cè)。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制線均為 50芯接口 , 根據(jù)需要功能選取需要用到的針腳 , 制作控制線。 PLC端口分配與對(duì)應(yīng)控制針腳如表 1所示。

從表 1可以看出 , 需要采用 4輸入通道的 AD 模塊 , 但價(jià)格昂貴。由于走合測(cè)試的時(shí)間往往較長(zhǎng) , 根據(jù)操作習(xí)慣 , 往往在一臺(tái)走合的時(shí)候 , 可以對(duì)另一臺(tái)進(jìn)行行程和速度測(cè)試并且進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和存儲(chǔ)等工作 , 所以在這里 , 使用 2個(gè)開(kāi)關(guān)制作了雙控電路 , 大大節(jié)約了成本 , 使原本需用 4個(gè) AD 通道的情況僅僅使用 A21 就可以解決問(wèn)題。當(dāng)需用測(cè)量某臺(tái)電動(dòng)缸的時(shí)候 , 撥動(dòng)其對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)接通 , 另一路開(kāi)關(guān)斷開(kāi)即可。電路圖如圖 2所示。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 、工作原理 、 程序作者使用松下公司提供的 W indow s環(huán)境下的 PLC編程工具 FPW IN GR進(jìn)行 PLC程序的編寫(xiě)、編譯和下載 , 其具備 3種程序編輯模式 : 符號(hào)梯形圖編輯模式、布爾梯形圖模式和布爾非梯形圖模式 , 支持?jǐn)?shù)據(jù)、觸點(diǎn)和時(shí)序圖監(jiān)控 , I /O分配 , 在線編輯。主程序流程如圖 3所示。

由于出廠前的電動(dòng)缸一般都為裸機(jī) , 還沒(méi)有根據(jù)客戶(hù)方的要求安裝限位開(kāi)關(guān) , 且由于在該系統(tǒng)中需要測(cè)量最大有效行程 , 所以在不能使用限位開(kāi)關(guān)的情況下 , 如何保證電動(dòng)缸在運(yùn)行過(guò)程不發(fā)生撞缸堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象 , 從而保證電動(dòng)缸的安全運(yùn)行 ? 作者經(jīng)過(guò)反復(fù)思考、實(shí)驗(yàn)論證 , 最終使用轉(zhuǎn)矩限制信號(hào)來(lái)解決該問(wèn)題。轉(zhuǎn)矩限制信號(hào)一般由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的 I/O 接口中某個(gè)針腳提供 , 在電機(jī)轉(zhuǎn)矩達(dá)到參數(shù)設(shè)定值時(shí) , 該針腳輸出有效 , 將 PLC 某輸入端子與之相連 , 檢測(cè)其變化 , 作為程序中保護(hù)動(dòng)作的觸發(fā)條件。程序示例如圖 4所示 , 在這段控制某缸的行程測(cè)試的部分程序中, R60和 R61兩個(gè)常開(kāi)觸頭分別作為電動(dòng)缸前進(jìn)和后退的動(dòng)作開(kāi)關(guān) , 而 X0 接受對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)器提供的轉(zhuǎn)矩限制信號(hào) , 來(lái)控制中間繼電器 R60 和 R61的通斷電。

當(dāng) X 0有效 (斷開(kāi) ) 時(shí), PLC停止發(fā)送脈沖 , 電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn) , 從而起到類(lèi)似限位開(kāi)關(guān)的保護(hù)作用。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 , 在電動(dòng)缸默認(rèn)的參數(shù)設(shè)置下 , 符合絕大多數(shù)工作場(chǎng)合要求 , 即在電機(jī)轉(zhuǎn)矩達(dá)到 300% 額定轉(zhuǎn)矩才輸出轉(zhuǎn)矩限制信號(hào) , 也能正常、安全地起停電機(jī)。

操作界面軟件的設(shè)計(jì)主要基于 EB8000 組態(tài)軟件。作者通過(guò)組態(tài)軟件 , 實(shí)現(xiàn)觸摸屏上的相應(yīng)功能 ,通過(guò)對(duì)程序模塊的集合 , 快速、直觀地生成人機(jī)界面, 建立完整的解決方案 , 直觀地顯示在觸摸屏上。該軟件內(nèi)容豐富 , 支持松下、西門(mén)子、三菱、歐姆龍等公司各系列 PLC設(shè)備。該軟件與以往工控軟件相比, 降低了開(kāi)發(fā)難度 , 縮短了觸摸屏系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期。

系統(tǒng)的軟件主要由運(yùn)行界面、參數(shù)設(shè)置、行程測(cè)試、走合測(cè)試、速度測(cè)試、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)顯示 6個(gè)部分組成, 在每個(gè)功能塊里面均可以進(jìn)行缸 1和缸 2 的切換。

參數(shù)設(shè)置。在這個(gè)界面設(shè)置測(cè)試缸的編號(hào) , 額定轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速及其對(duì)應(yīng)的輸出模擬電壓比例 , 減速比 , 電動(dòng)缸的導(dǎo)程 , 每圈脈
沖數(shù) , 希望測(cè)試的 3種速度具體值等參數(shù)。

行程測(cè)試?？梢宰杂稍O(shè)定運(yùn)行速度 , 提供前進(jìn)、后退和停止 3個(gè)按鈕進(jìn)行控制 , 由于工作現(xiàn)場(chǎng)要求和設(shè)備性能限制 , 暫時(shí)只提供人工在最近及最遠(yuǎn)端手動(dòng)測(cè)量 , 以后可以擴(kuò)展功能 , 加裝外部測(cè)量裝置進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量以及數(shù)據(jù)記錄。

走合測(cè)試。提供時(shí)間設(shè)定、轉(zhuǎn)速設(shè)定、走合起始位置和終點(diǎn)位置 4項(xiàng)功能設(shè)定 , 并且進(jìn)行當(dāng)前電動(dòng)缸位置的實(shí)時(shí)檢測(cè)及顯示 , 需要注意的是這里的位置信息實(shí)際上是由脈沖數(shù)換算得來(lái) , 并沒(méi)有外部測(cè)量裝置構(gòu)成全閉環(huán)。

速度測(cè)試。同樣提供兩個(gè)缸的功能切換 , 在不同速度和方向的工作狀況下 , 都有速度和轉(zhuǎn)矩兩個(gè)數(shù)值顯示框 , 提供電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的即時(shí)趨勢(shì)圖 , 采集頻率為 10H z, 可以檢視圖中任意時(shí)刻且在檢視數(shù)據(jù)框中顯示 , 數(shù)據(jù)的采集和停止由對(duì)應(yīng)的功能按鈕來(lái)控制。

在速度測(cè)試頁(yè)面點(diǎn)擊歷史圖按鈕進(jìn)入電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程的數(shù)據(jù)圖示 , 記錄時(shí)間 1 s, 提供高達(dá) 100 H z的采樣頻率。點(diǎn)擊數(shù)據(jù)按鈕可以進(jìn)入歷史數(shù)據(jù)表格記錄。該觸摸屏可以存儲(chǔ) 7天的數(shù)據(jù) , 每天數(shù)據(jù)量最高可達(dá)80 000組, 已能滿(mǎn)足工作需求 , 如圖 6所示。

當(dāng)需要保 存更多 數(shù)據(jù)時(shí) , 可 以使用 U SB數(shù)據(jù)延長(zhǎng)線 連接 一個(gè) U盤(pán) , 選擇將數(shù)據(jù)保存至U 盤(pán) 即 可。 使 用EB8000 軟件的轉(zhuǎn)換功能可以很 方便將 數(shù)據(jù)導(dǎo)出為 Excel 表格類(lèi)型。

如果在測(cè)試過(guò)程中 , 運(yùn)行出現(xiàn)異常狀況 , 則由觸摸屏提供聲光報(bào)警。事故處理完畢后 , 需回到運(yùn)行首界面進(jìn)行報(bào)警信號(hào)清除 , 且恢復(fù)使能 , 才能重新正常工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于 PLC和觸摸屏的電動(dòng)缸自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng) , 具有自動(dòng)化程度高、界面直觀、功能強(qiáng)大、靈活性高等優(yōu)點(diǎn) , 可以有效地提高測(cè)試的效率 , 具有很好的應(yīng)用前景。目前 , 該系統(tǒng)已在該公司投入使用 , 較好地滿(mǎn)足了該公司電動(dòng)缸出廠時(shí)的檢測(cè)需要 , 提高了工作效率。

4 結(jié)論

通過(guò)建模與仿真分析 , 文中所給出的 CNC壓機(jī)系統(tǒng)選型方案 , 位置和速度控制性能比較理想 , 而在壓力控制方面 , 響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng) , 壓力卸載時(shí)產(chǎn)生的峰值需要注意。