原创 用PLC实现三工位旋转工作台的定位控制

2007-9-27 11:45 4693 0 分类: EDA/ IP/ 设计与制造
1 引言

PLC的处理器速度和功能在不断增加,已发展成具有逻辑控制功能过程控制功能运动控制功能、数据处理功能、联网通信功能等的多功能控制器,加上它的价格低廉、操作简便、改变功能灵活易用、维护工作量小等优势,使PLC在工业生产过程自动化中获得广泛应用。


本文介绍采用PLC系统对某设备的三工位旋转工作台进行精确定位的一种低成本、高精度的控制方式(参见图1),该设备的整体结构是以三菱CC-Link网络通讯方式进行主站和从站设备之间的实时通讯的,工作台系统是该设备的重要结构之一,要求工作台在一定范围内实现旋转角度与速度的精确控制,并将定位结果及时反馈给PLC以进行相应的调整。图1中3个圆形承片台工位以120°均布于旋转工作台面上,要求工位之间能够自由精确地转换位置,各工位的承片台要具有真空、吹气、清洗和按照设定速度值旋转的功能。按照上述功能要求,选用PLC系统和编码器脉冲计数方式进行工作台的位置控制。



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2 控制要求

该控制系统根据设备工艺流程的需要来设定定位角度,图1所示的旋转工作台上有3个工位,各工位承片台的位置能根据上位机的控制要求自由转换,(例如操作l号工位的承片台旋转到2号工位进行该工位的工艺加工)所以该系统可以实现的功能有:工作台旋转实现工位的位置转换;各个承片台能按照设定的速度值旋转;工作台需具有在任意位置回零和微调角度的功能;系统运行过程出现异常时能实时报警并停止工作;操作人员可通过确认按钮解除报警信号;还应该具有手动/自动两种控制方式,并设有试验测试功能。


3 PLC选型


PLC的选择应着重考虑PLC的性能价格比,选择可靠性高,功能相当,负载能力合适,经济实惠的PLC。在该设备整体方案选用了三菱CC-Link网络通讯系统的基础上,针对工作台部分控制系统的输入、输出点数和负载能力等要求,选用日本三菱公司FX2N-64MT型PLC。


4 系统硬件相关配置


为实现该系统的手动/自动控制,PLC需要不少于输入23点,输出27点的I/O单元,因此选用三菱公司的FX2N-64MT型可编程序控制器作为主控单元,分别有32个输入和32个输出点,输入端为光电隔离,输出端为晶体管源型,该机型结构紧凑、体积小、质量轻,具有很强的抗干扰能力和负载能力,满足设计需求。


由于该设备控制系统采用三菱的现场总线网CC-Link网络通讯方式负责主站对从站发送从控制平台获取的控制信息、从站对主站的反馈信息以及处理各从站之间的信息交换,以实现各台PLC之间的无差错适时自动化运作。因此工作台控制系统作为整个设备的一部分,需要选用CC-Link扩展模块实现和主站设备的远程通讯,从主站获取控制信号以执行各部分的动作。


为了实现工作台的精确定位,选用能输出高频脉冲的定位扩展模块FX2N.10GM,10GM是三菱公司的单轴定位单元,属于带CPU的智能模块,它可实现完善的位置控制功能,与PLC并行工作,提高了速度,简化了编程。根据其定位精度选择伺服系统作为执行机构,由于机械传动机构产生的间隙和回程差等外界因素导致的工作台旋转误差,为了测量和补偿这个误差,将一个增量式旋转编码器与工作台同轴安装,伺服电机带动工作台转动的同时,编码器以同样的角速度转动,产生两路相位相差90。的脉冲,通过判断相位超前滞后的关系确定工作台的旋转方向,工作台的每转动一个位置对应一个脉冲计数值,根据设计需要将工作台的各个位置对应的角度换算成相应的脉冲数,通过比较判断所记录的脉冲数就可以实现工作台的定位控制。该部分是工作台定位设计的核心,主要依靠软件来实现,其结构参见图2。



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各工位承片台的自旋转动作采用模拟量控制模块FX2N-4DA来控制相应伺服系统的转速。4DA模块有4个输出通道,即可外接4个伺服电机,输出通道接受数字信号并转换成等价的模拟信号,最大分辨率是12位。基于输入/输出的电压电流通过用户配线完成,可选用的模拟值范围是直流电压 一10~10V(分辨率:5 mV),或者0~20 mA(分辨率:20 μA,可被每个通道分别选择控制各电机转速。


所以旋转工作台电气控制系统是由和上位机通讯的CC-Link扩展模块、定位模块、模拟量控制模块、动作执行机构、增量式编码器、外围控制电路和核心器件PLC组成,PLC是集信号采集、信号输出和逻辑控制于一体,与电力拖动系统一起实现了工作台以及各个工位承片台的所有功能。参见图3系统硬件结构框图。



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5 系统软件设计


5.1 控制程序流程图


基于工作台控制系统的工艺要求,其软件设计思路分为三部分完成控制动作,即:手动状态、测试状态和自动状态。


手动状态下可以单独控制每个执行机构的动作,主要有:工作台3个工位之间的位置转换;旋转工作台的手动回零;3个工位的承片台旋转的启动与停止;对各承片台上真空、吹气、清洗水等动作的开、关等。

测试状态主要是根据工艺需要,操作各个工位在工作台的允许范围内相对零点的任意角度旋转和对三个工位转动角度的微调,因为实际的工艺可能要求各个工位之间的旋转角度会有所不同,例如需要1号工位旋转119°或其他角度至2号工位,微调测试就可以将其角度值重新调整并确定,以适应各种工艺需求。


自动状态分为单程循环和自动循环,指在循环条件满足的状况下,按照系统的工艺流程自动执行的过程,图4所示为具体流程图。



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软件部分的核心是工作台工位转换时要准确进行工位检测及判断各工位的具体位置,以进行相应的转向控制。因为选用的是低成本经济型控制方式,加之机械设计结构的限制,工作台只能在一定的角度范围内旋转定位(图1所示的左、右极限范围内),在软件设计过程中要考虑到:无论手动还是自动状态下,控制工作台工位的转换,都需要先判断各承片台相对零点的位置,再执行正转或反转的动作,否则会导致系统极限位报警。图5所示的是操作1号工位的承片台旋转至2号工位时的软件流程,当接受到工位旋转的控制要求后,判断原点
承片台位置,如果在l号位,工作台逆向旋转120°后,发送定位结束信号就完成了一个工位的转换。



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5.2 控制系统的通讯方式


编写程序时,PLC用FROM/TO指令对定位扩展模块10GM进行读写操作。10GM的m码指令为和PLC进行信息交流提供了方便,它能够实现定位、回零等的操作;还有类似于PLC的基本逻辑指令和功能指令。PLC读写m码信息是通过10GM的缓冲存储器进行的,不是直接操作。


FX2N_4DA和PLC之间也是通过其内部缓冲存储器用FROM和TO指令来传输数据。将4DA设置为电压模拟量控制方式,PLC根据控制系统的需求读写它的内部缓冲存储器BFM,分别设置各通道的模拟电压值,以控制每个承片台伺服电机的转速。


PLC与CC-Link扩展模块同样是用FROM/TO指令实现和主站设备的远程通讯。用FROM语句从主站获取控制信号以执行各部分的动作,用TO语句传送工作台部分的状态信息。


5.3 编程说明


本系统软件主要在三菱公司的PLC编程软件环境 FX DEVELOPER 7.0下用梯形图方式编写;FX2N-10GM的编程软件FXVPS-E 1.00用于编写定位模块的程序。


6 实验结果的分析及改进方法


本系统应用增量式旋转编码器反馈工作台的旋转角度值,在软件设计中补偿定位精度,但在程序实验运行过程中发现,影响工作台定位精度的因素除机械传动造成的间隙外,还有以下几点:


(1)工作台转动惯性和继电器动作延时,使得工作台定位结束需要一定的延时时间t1。


(2)程序中对应的定位系统计数脉冲值只有在控制器扫描时才被刷新,当程序较复杂时,扫描时间大于脉冲宽度时,程序中读取的脉冲数值就不是一个连续变化的数,即扫描间隔会造成一定的死区时间t2。


(3)从发出停止指令到输出端口状态的刷新存在一定的延时时间t3。综上所述,工作台定位结束时间应该是:t=t1+t2+t3,因此,考虑到影响到工作台定位精度的各种因素,在程序设计过程中,进行了以下改进措施:


(1)为了减小累计误差,可在工作台到达零限位时对计数器清零复位。


(2)通过编制延时程序、记录延时时间及脉冲变化值对多组实验数据求平均值的方法,得到工作台定位结束所需的时间,在定位程序中增加延时以保证工作台定位精度。


(3)采用中断的方式增加扫描频率,减小刷新延时时间。


实验证明,采用改进的方式后,工作台定位精度达到±0.045°,实现了良好的运行效果。


7 结束语


本文介绍的PLC为核心的旋转工作台定位控制系统,硬件电路结构简单,软件设计合理可靠。实践应用证明,该设计方法能够准确实现三工位的旋转工作台的定位精度,操作简便,易于维护,有效降低了成本。



本文摘自《电子工业专用设备》

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