旋轉(zhuǎn)編碼器在位置控制的應(yīng)用設(shè)計(jì)論文
摘要：以提高錕壓成型機(jī)切料長度的精度為改造目標(biāo)。文章首先簡介旋轉(zhuǎn)編碼器的工作原理和特點(diǎn)，然后闡述以PLC、旋轉(zhuǎn)編碼器和變頻器構(gòu)成的位置控制系統(tǒng)，并詳細(xì)描述設(shè)計(jì)過程的位置計(jì)算、遇到的問題及改造的成效。
關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)編碼器；PLC；變頻器；成型機(jī)；位置控制
前言
改造之前的老式成型機(jī)利用接近開關(guān)來獲得鋼板的位置信息，通過調(diào)節(jié)接近開關(guān)的位置來預(yù)計(jì)電機(jī)和鋼板的運(yùn)動慣量，鋼板在設(shè)定值停止的位置控制精度低，而且起動和剎車時(shí)的機(jī)械沖擊大，經(jīng)常出現(xiàn)故障。針對上述問題，我在這次改造中使用新的位置控制方式，利用旋轉(zhuǎn)編碼器、PLC、變頻器等部件，目標(biāo)是使位置控制的精度提高，使產(chǎn)品的長度誤差在正負(fù)1mm以內(nèi)。在自動模式下加工全程由程序控制，以雙速運(yùn)行使中間過程加快，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)成型機(jī)的牽引軟啟動和軟制動使整個錕壓過程平穩(wěn)、無機(jī)械沖擊。
1錕壓成型機(jī)的基本結(jié)構(gòu)
1。1錕壓成型機(jī)主要由機(jī)架、錕輪機(jī)傳動裝置、放卷及切斷裝置組成
被壓制材料通常是1。0mm～2。0mm厚鍍鋅帶狀鋼板。主機(jī)的傳動是通過鏈條實(shí)現(xiàn)的，先由牽引電機(jī)經(jīng)減速機(jī)傳給主動壓錕，再由主動壓錕用鏈條帶動其他多道壓錕。上下各有壓錕。壓錕是由模具和轉(zhuǎn)動軸組成，壓錕帶動鋼帶前進(jìn)。前進(jìn)方向上各軸的模具是按逐漸加深的順序來安裝的，所以鋼帶在模具間走過就逐漸被壓制成設(shè)計(jì)要求的形狀。錕壓成型機(jī)的主機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1。2液壓切斷裝置
液壓切斷部分由剪切刀架體和模具組成。該裝置采用落料切斷，以油缸液壓推動切刀起落。切斷后型材產(chǎn)品直接落至托料架。
1。3液壓站
主要用于向生產(chǎn)線剪切裝置提供壓力油，液壓站放置在剪切裝置旁的非操作側(cè)。
2旋轉(zhuǎn)編碼器簡介
2。1光電式旋轉(zhuǎn)編碼器的工作原理
光電式旋轉(zhuǎn)編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將軸的角位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。把它裝在轉(zhuǎn)軸上可以被用作速度控制或位置控制系統(tǒng)的檢測元件。旋轉(zhuǎn)編碼器主要參數(shù)是分辨率，編碼器的光電碼盤在360度范圍有的通或暗刻線的數(shù)量稱為分辨率，或直接稱多少線。它通過編碼器每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)反映出來。
2。2增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的特點(diǎn)
增量式編碼器轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，有相應(yīng)的脈沖輸出，其計(jì)數(shù)起點(diǎn)任意設(shè)定，可實(shí)現(xiàn)多圈無限累加和測量。本案是用旋轉(zhuǎn)編碼器來測鋼帶的相對位移，根據(jù)編碼器的特點(diǎn)，選用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器。
3旋轉(zhuǎn)編碼器在位置控制中的應(yīng)用
3。1位置控制系統(tǒng)的構(gòu)成
位置控制方框圖如圖2所示，它主要由PLC、旋轉(zhuǎn)編碼器、變頻器、觸摸屏、變頻電動機(jī)組成。以下著重介紹前面三個主要組件。3。1。1PLC。PLC采用三菱的FX1S—20MR，它作為控制系統(tǒng)的核心單元，負(fù)責(zé)接收旋轉(zhuǎn)編碼器送來的脈沖信號，經(jīng)過內(nèi)部的高速計(jì)數(shù)器C235進(jìn)行計(jì)數(shù)和運(yùn)算，按程序設(shè)定輸出控制信號到變頻器及電磁閥等執(zhí)行器件，使機(jī)器按程序進(jìn)行相應(yīng)動作。其中傳感器用旋轉(zhuǎn)編碼器對鋼帶的位移監(jiān)測。3。1。2變頻器。
�。�1）使用變頻器調(diào)速的原因：雖然伺服系統(tǒng)有精確、快速定位的優(yōu)點(diǎn)，大功率的伺服驅(qū)動器配伺服電機(jī)價(jià)錢也太高，故嘗試使用變頻器�，F(xiàn)在本設(shè)計(jì)用旋轉(zhuǎn)編碼器測位移后將信息送到PLC按程序雙速運(yùn)行，避免高速停車，并通過精確的實(shí)時(shí)位置測算達(dá)到準(zhǔn)確停車的效果。
�。�2）在變頻器的控制端口DI1、DI2、DI3、COM輸入由PLC輸出正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、低速的控制信號，驅(qū)動變頻電機(jī)來完成相應(yīng)的任務(wù)指令。變頻器自帶的制動單元配合外置的制動電阻作能耗制動。
�。�3）觸摸屏作為PLC的輸入和顯示數(shù)據(jù)裝置，使用觸摸屏的RS—422接口與PLC連接，在觸摸屏設(shè)定產(chǎn)品的數(shù)據(jù)并顯示當(dāng)前工作狀態(tài)和數(shù)值。
3。2位移測量與計(jì)算
本設(shè)計(jì)采用旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生與位移成正比的脈沖，將其輸入PLC的X0高速計(jì)數(shù)器端口，構(gòu)成位置反饋，累加脈沖數(shù)反映鋼帶位置，觸摸屏顯示經(jīng)過程序換算的數(shù)值反映電機(jī)拖動機(jī)械實(shí)際行走的位移。程序中用單相單計(jì)數(shù)的高速計(jì)數(shù)器C235，32位增/減計(jì)數(shù)，機(jī)器默認(rèn)為增計(jì)數(shù)。位移L=SI
�。�1）式中：S—脈沖當(dāng)量；I—累計(jì)脈沖數(shù)注：旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在位移測量輪的軸上以測量輪轉(zhuǎn)一圈計(jì)算，位移等于測量輪的周長C，累計(jì)脈沖數(shù)I等于每轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)，即編碼器的分辨率，歐姆龍編碼器E6B2的分辨率：I=1000P/r，測量輪的直徑D=95。5mm，所以L=C=πD，又根據(jù)式（1）得：S=L/I（2）將實(shí)際數(shù)值代入式
（2）：每一圈的位移L=πd=3。1416×95。5=300。02（mm）脈沖當(dāng)量S=L/I=300。02/1000≈0。3（mm/P）如圖3所示鋼帶位移計(jì)算的過程。設(shè)每個產(chǎn)品的加工周期所走過的總位移是L總，刀與測距光纖間的距離是L光纖距，產(chǎn)品上最末的孔到產(chǎn)品末端的距離L尾孔距，切刀的厚度L刀厚，長度校正L校。L總=L光纖距+L尾孔距+L刀厚+L校根據(jù)式（1）可得累計(jì)脈沖數(shù)I=L/S將位移轉(zhuǎn)化成脈沖數(shù)，用比較指令把C235的累計(jì)數(shù)與設(shè)定值對應(yīng)的脈沖數(shù)比較，取得機(jī)器動作所需精確的位置點(diǎn)。設(shè)定了低速長度L低就可以得：主速度位移是L總－L低。當(dāng)鋼帶走完主速度位移，由PLC發(fā)出轉(zhuǎn)入低速信號，使變頻器的頻率下降至3。5Hz，鋼帶以低速前進(jìn)。圖3中各段間距以Dxxx表示，是PLC程序里的數(shù)據(jù)寄存器，例如D192（低速長度）可以在觸摸屏上直接修改設(shè)置數(shù)值。
3。3實(shí)際需要解決的幾個技術(shù)問題
�。�1）高速計(jì)數(shù)器的溢出問題：PLC程序的`32位增/減計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)范圍—214783648~+214783647，若超過范圍進(jìn)行計(jì)數(shù)，高速計(jì)數(shù)器就會溢出。為解決這一問題，程序設(shè)置在產(chǎn)生計(jì)數(shù)溢出前C235復(fù)位，即每次切完產(chǎn)品后進(jìn)行一次C235和長度數(shù)據(jù)寄存器復(fù)位，因?yàn)槲覀儾恍枰礓搸У拈L度，只需分段計(jì)每節(jié)產(chǎn)品的長度。
�。�2）高速計(jì)數(shù)器輸入信號頻率限制問題：C235的輸入脈沖頻率有限制，其中X0的最高頻率為10kHz。鋼帶前進(jìn)最高速度約V=0。1m/s，脈沖當(dāng)量是0。3mm/P，測量輪周長C=300。02mm。轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間T=C/V=0。3/0。1=3s，即轉(zhuǎn)一圈對應(yīng)1000P所用時(shí)間3s。實(shí)際使用的脈沖頻率的最大值fmax=1000/3≈333（Hz）故實(shí)際使用的脈沖頻率遠(yuǎn)小于X0的最高頻率10kHz上限值。
（3）傳動鏈條的間隙補(bǔ)償問題：由于這種位移測量屬于開環(huán)測量，因此必須解決傳動鏈條的間隙補(bǔ)償問題。為解決這一問題，可在程序中高速計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值累加一個間隙補(bǔ)償量，即觸摸屏顯示的長度校正，這補(bǔ)償量的大小根據(jù)多次調(diào)試來定。
4改造的成效分析
改造后機(jī)器比之前有以下效果：
�。�1）產(chǎn)品長度的合格率提高主要靠測量的精度提高，這次改造所用的旋轉(zhuǎn)編碼器位移測量裝置每個脈沖的位移僅0。3mm。雖然這測量系統(tǒng)屬于開環(huán)系統(tǒng)，其精度取決于位移的給定精度，而用旋轉(zhuǎn)編碼器來測量位移正好能夠低成本地提高系統(tǒng)的給定精度。其次用程序控制變頻器進(jìn)行雙速度切換，接近停車時(shí)以低速運(yùn)行，鋼帶運(yùn)行到預(yù)設(shè)的位移后，PLC的C235計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)脈沖累加達(dá)到主速度預(yù)設(shè)值，PLC發(fā)出換速指令送到變頻器，鋼帶降速，以低速行到停止位，這樣停車的位置更準(zhǔn)確。停的位置準(zhǔn)，落刀切出來的產(chǎn)品長度也就精確。計(jì)數(shù)脈沖累加達(dá)到刀與末端距離的預(yù)設(shè)值PLC指令低速結(jié)束變頻器瞬間制動，與此同時(shí)切斷裝置的電磁閥開關(guān)動作，使油缸推動切刀落下，完成一次加工。
�。�2）操作便捷，機(jī)器的自動化程度提高。加工參數(shù)可在觸摸屏上輸入，長度、加工件數(shù)可以不斷跳變顯示。（3）用程序控制變頻器運(yùn)行頻率，由變頻器驅(qū)動電機(jī)，可以使啟動和停止無機(jī)械沖擊，而中間過程的主速度可以加快，這是雙速運(yùn)行的優(yōu)勢。解決了加工速度和產(chǎn)品精度的矛盾。
參考文獻(xiàn)
[1]盧寧，張晉宏。一種用PLC和旋轉(zhuǎn)編碼器測量位移的方法[J]。機(jī)械工程與自動化，2007（4）。
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