1原系統缺陷分析 二......



1 原系統缺陷分析
二發廠凸輪軸淬火機是1992 年從澳大利亞引進的中頻淬火機。多年來其中頻電源部分一直工作良好，但其行程控制部分的故障率卻居高不下，經常因凸輪軸定位不準而產生大量廢品。其控制系統極為落后、并且嚴重老化，已失去了維修的價值，甚至有時會嚴重影響生產的順利進行，因此定位控制系統的徹底改造就顯得尤為重要了。
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1）目前，國內同類型或同檔次的機床有很多，其中很多都存在定位不準的問題。而定位的準確性正是影響淬火質量的關鍵因素。我廠凸輪軸淬火機自進廠以來，一直存在定位不準的問題，這一問題困擾了我們多年。雖經與澳大利亞生產廠家聯系，始終沒有得到妥善的解決辦法。
2）該機床行程控制系統控制器是采用20 世紀80 年代初的Z80 單板機技術的專用控制裝置。其編程及參數設置非常復雜，控制功能較少，并且經常發生故障。此外，由Z80 單板機所組成的控制器也是極為落后的產品，它不但功能有限、控制不靈活，故障率高，還無同類替換產品，一旦損壞將直接影響生產。
3）定位系統的執行機構為直流調速系統，直流調速系統在國內機床工業中雖然仍占據較大的份額，但由于它是落后的技術，并存在故障率高、穩定性差、控制不靈活等缺點，已逐步被更為先進的交流調速系統所代替。該機床由一臺直流伺服電機實現凸輪的定位控制，由于凸輪的運動方式是立式，并且由滾珠絲杠驅動（其本身沒有自鎖功能），同時，由于凸輪臺架質量很大，其運行時產生的巨大的慣性僅僅靠直流電機電樞產生的微弱的電磁力來制動是遠遠不夠的，制動力矩不足是導致凸輪軸定位不準的根本原因。
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4）位置控制系統及直流調速系統均是淬火機公司自己研制開發的產品，由于產品的更新換代這個產品已淘汰，不再生產，因此無法購買到備件，如果單獨定做價格極其昂貴，國外相應的此種控制模塊需8萬美元。這套系統既無原理圖又無詳細說明，維修極其困難。
2 設計方案
PLC 及變頻調速技術在國內已經得到了非常廣泛的應用。在國內同行業中，應用PLC 技術對各種機床包括大型自動線的改造的例子非常多，但對于像凸輪軸淬火機這樣要求定位精度很高的設備應用變頻調速技術結合PLC 技術進行閉環調速系統改造的例子卻很少。
1）采用位置閉環控制，能滿足定位準確，達到定位精度的要求。利用機床中廣泛采用的一種閉環位置檢測裝置脈沖編碼器，脈沖編碼器是一種常用的角位移傳感器，即一種旋轉式脈沖發生器，它能把機械角變成電脈沖。
2）由于PLC 技術控制靈活簡單、故障率低、功能強大、價格較低，目前已得到了廣泛的應用。本次控制器改造采用的是日本OMRON 公司的C60 PLC。C60 PLC 雖然屬于小型機，但其上的高速計數單元能接收脈沖編碼器的信號，完全可以實現本機床位置閉環控制的需要。OMRON 公司是世界著名的幾大PLC開發與制造商之一，其新產品開發在世界上一直遙遙領先。OMRON 的PLC 性能價格比高，質量可靠，較適合中國國情，所以一直受到國內的歡迎。
3）該機床行程控制系統的關鍵部件除控制器和編碼器之外，還有驅動裝置及執行機構。原驅動裝置及執行機構分別是一塊可控硅直流調速驅動板和一臺直流伺服電機。本次改造方案定為：用YEJ 系列自剎車交流電機替代原直流電機。用日本SANKEN 電氣株式會社的IHF 系列變頻器替代原控制板。這種變頻器屬于通用型全數字式變頻器。適用于感應電動機的調速驅動。其內部配備16 位微處理器，故其功能十分齊全。另外，交流調速理論現在已經非常成熟，并且由于造價低、控制方便可靠、故障率低等特點，它正在取代直流調速的位置。
3 設計內容
3.1 硬件接口及設置：
C60 的高速計數單元屬于單向加計數單元，記數單元最高只能接受2KHZ 的脈沖信號，可以對普通光電編碼器的A、B 項脈沖進行準確計數（要求編碼器規格在每轉幾百脈沖之內）。經計算出每個脈沖的位移當量，即可通過PLC 程序實現對凸輪軸的準確定位。
3.1.1 脈沖編碼器信號的接收
本機床的脈沖編碼器的工作電源是直流5V 的，其A、B、Z 三項脈沖的幅值都是5V，而C60 PLC 的輸入要求24V，因此兩者之間不能直接匹配，必須設計一個轉換電路，經過高速光偶電路后，A、B、Z 項脈沖幅值被提升到24V。
3.1.2 編碼器Z 脈沖展寬
由于脈沖編碼器的Z 脈沖寬度過窄，C60 的輸入口無法識別。Z 脈沖在絕大多數數控系統中的主要作用是控制數控軸準確回零。因此，它的作用是非常重要的。Z 脈沖的展寬問題是通過自制脈沖展寬及放大電路來實現的。下圖是CC14528 芯片的原理圖和邏輯圖。
CC14528 由R-S 觸發器、門電路和三態電路組成，一般選取較大的電阻值和較小的電容值，以獲得所 需的時間常數，降低電路功耗。下面是應用CC14528 搭成的Z 脈沖的展寬電路，編碼器的Z 脈沖信號接到Vi 端，輸出Vo 端接到PLC 的輸入口0002，如波形圖所示，輸入一個窄脈沖經展寬電路后脈沖寬度加大。輸出脈沖的寬度tw 可由外接元件Rext 和Cext 調節，圖中tpd 為輸入到輸出的延遲時間。
3.1.3 OMRON C60 PLC 的地址分配
當使用高速計數器時，下列資源用于高速計數器，不能再做它用。
輸入點0000（計數輸入）
輸入點0001（硬件置零）
內部輔助繼電器1807（軟件置零）
TIM/CNT47（當前計數值）
DMCH32 到DMCH63（上限下限值）
如果電源掉電高速計數器保持掉電前的計數值。
高速記數器有16 個輸出。外部的脈沖源通過0000 點輸入到CPU，作為高速計數器的輸入信號，當輸入信號從OFF 到ON 時計數一次。
輸入信號的每次正跳變都使CPU 內部的計數緩沖器計數，在執行高速計數器指令時把內部計數緩沖器的內容傳送到高速計數器的計數值存放單元CNT47 中。傳送計數值后，用此值與予置在DM31 到DM63的上下限值做比較，如果數值相符，則被指定作為輸出通道的相應的點變為ON，所以在對高速計數器編程時，必須指定一個輸出通道作為高速計數器的輸出。
3.2 程序設計
3.2.1 程序流程
整個機床行程控制系統的工作過程如下圖所示：