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务l 造 勺 化 P L C 在二维磨削力控制砂带磨削机床中的应用 AppI i can t i on o f PLC i n t w o- di m en si onal gr i ndi ng f or ce gr i pe of bel t gr i ndi ng m achi ne t ool 李成群 ，刘启站，李建功 L I Ch e n g q u n。L I U Qi ． z h a n． L I J i a n ． g o n g 河北联合大学 ，唐山 0 6 3 0 0 9 摘要本文介绍了一种用于机器人砂带磨削系统的二维磨削力控制砂带磨削机床。阐述了系统的组成 及其工作原理。根据系统控制要求，设计了以PL O为控制核心的气动、电气控制系统的硬件 回路及软件编程。为了提 高系统可靠性 ，采取了软硬件抗干扰措施 。 关键词P L C；磨削力控制；电气控制系统 ；砂带磨削机床 ；机器人 中围分类号T P2 7 3 文献标识码 A 文章编号1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 1 2 上 - 0 0 4 4 -0 4 Doi 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n． 1 0 0 9 -0 1 3 4． 2 0 1 1． 2 I - ． 1 6 0 引言 目前 ，国内外 复杂几何形状 工件 高档水龙 头、航空叶片、汽轮机叶片等 的磨削加工方法有 普通磨床的人工磨削、专用磨削机床和数控磨削 机床 。普通磨床的人工磨削费时且劳动强度大， 加工成品率低；专用磨削机床通用性差 ，适合批 量生产 ；数控磨削机床成本高 、编程复杂 。近年 来 ，机器人磨削加工技术引起人们 的关注，与数 控机床相比，具 有柔性好、智能化、精度高等优 点 ” 。 机器人磨削系统使用机器人离线编程技术， 集标 定、生产 、检 测于 一体 ，工件 的磨削效 率 高，表面质量好 ，可 自动装卡工件，适用于工件 的 自动化 流水线 的磨 削加 工【 2 j 。 本文介绍 的二维磨削力控制砂带磨削机床是 机器人磨削系统的重要组成部分。其控制部分不 仅关系到二维磨削力控制砂带磨削机床的可操作 性 能 和工 件 的加 工 质 量 ，而 且也 影 响 机 器人 对 磨 削机床的控制及机器人磨削系统的可靠性。 1 二维磨削力控制砂带磨削机床的组 成及工作原理 二维磨削力控制砂带磨削机床 由上 、下两个 砂带磨削机床组件组成，如图1 所示。 上、下两砂带磨削机床组件均采用平行四边 形机构。当机器人抓持工件在砂带 磨削机床上磨 削加工时 ，同一时刻只在一个磨削机床组件上磨 削加工 。 9 1 0 1 1 4 5 1 一立柱；2 ～ 摆杆 ；3 一下磨削轮组合 4 一 变频 电机；5 一导轨滑 块机构；6 一恒磨削力调节机构 i 7 一转位锁紧机构；8 ～伺服电机 9 一横粱；1 O 一调偏机构；l 1 一低摩擦气缸； 1 2 一 上单元张紧机 构 ；1 3 一变频电机 ；l 4 一砂带；l 5 一下单元张紧机构 图1 二维磨削力机器人砂带磨削机装配图 下砂带磨削机床组件 只有一个大的磨削轮 ， 适用于大 曲率曲面或平面的磨削加工 ，采用一维 磨削力控制技术 ，且该机构与上砂带磨削机床组 件共 用一个比例 阀与伺服气缸来控制上、下砂带 磨削机床组件 的水平力控制 。当接触力大于设定 值时 ，下砂带磨削机床组件横梁拉动弹簧后退， 使作用于伺服气缸上 的力增大，比例 阀开始调整 收稿 日期2 0 1 0 -- 0 9 - 2 2 作者简介李成群 1 9 6 3一 ，男，河北唐 山人 ，副教授 ，博士，研 究方 向为机器人技术 、机械 系统动力学、工业控制 和测试技术 。 【 4 4 】 第3 3 卷第2 期2 0 1 1 2 上 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 、 l 注 訇 化 进行排气，使伺服气缸 内压力维持在设定值 。 上砂带磨 削机床组件含有转位锁 紧机构 ，转 位 锁紧机构的旋转臂上安装两个小磨削轮，适 用 于 小 曲 率 曲 面 的 磨 削 加 工 ， 采 用 二 维 磨 削 力 控 制 技术 ，磨 削 力 大 小分 别 由两 个 比例 阀 控 制两 个 伺服气缸来调节 。当磨削力大干设定值 时，水平 力 的控 制 与 下 砂带 磨 削机 床 组 件 磨 削 力控 制 原 理 相同；在垂直方向上，滑块带动伺服气缸运动 ， 气 缸 内压 力 发 生 变化 ， 比例 阀开 始调 整 进 气或 排 气，使伺服气缸内压 力维持在设定值 ，从 而可控 制平 面 内任 意方 向磨 削力 的大小 。 2 P L C 控制系统硬件配置及其功能 以三 菱F X系 I| P L C为核 心 的控 制 系统 硬 件 配 置 如 图2 所 示 。整 个控制 系统 包括 其 他 输 出 端 口 机 器 人 控 制 器 其 I l 他I I 转 输l l 位 入f f 码 端l I 盘 13 J j 水平方向 伺服气缸 垂 直方 向 伺服气缸 比例 阀I I比例阀 P L C控制器 D ／ A 转换 A／ D 转换 人 机 交 互 器 驱 动 器 I I 变 频 器l l 变 频 器l 1 伺服 {f 上磨削机 f f 下磨削机 电机l l 变频电机 I I 变频电机 图2 P L C控制系统硬件配置 P L C控制 器及 扩展 模块 A／ D转换 器 、D ／ A转换 器 、气动 控 制 、机 器人 控 制器 、人机 交 互 器 、伺 服电机控制系统、变频电机控制系统等。 2 ． 1 P L C控制器及扩展模块 1 P L C 控制器 对整套工艺系统分析，进行 I ／ O分配 ，需要输入点数 为1 2 ，输 出点数为 l 1 ， P L C 型号可选用F X2 N一 3 2 MT 一 0 0 1 ，其输入点数与 输 出点 数 均为 l 6 ，且 有 串行 通 讯 模 块 和功 能 扩 展 模 块 ，使 用 特 殊功 能 模 块 或 功 能 扩展 模 块 ，可 实 现模拟量控制、位置控制和联网通讯控制 。 2 A／ D转换器 在 自动张紧装置中，低摩擦 气 缸 的 压 力值 经压 力 传 感 器 转 变 为 电信 号 后 必 须 通过A ／ D转换器把模拟量转变成数字量才能被P L C 处理 。其型号为F X2 N一 2 AD，有2 个输入通道 ，每 一 通道都可进行A ／ D转换，其分辨率为1 2 位。 3 D ／ A转换器在接触力补偿 系统 中，P L C 需将设定气压值经D ／ A转换 后才能传送给 比例 阀 进 行气 压 调 节 。变 频 电机 控 制 系统 中 ，将 控 制信 号经D ／ A转 换 后的 电压信 号传输 给 变频器 ，通 过模 拟量控制不但可以提 高加工精度 ，而且节约I ／ 0点 数 。其型号为F X2 N一 4 DA，有4 个输 出通道，每一 通道都可进D ／ A转换，其分辨率为1 2 位。 2 ． 2气动控制 气 动 控制 系统 原理 图如 图3 所 示 ，气 源经 过 气 源三联 件后 ，分为 三路 乖直接触 力 图 3 气动 控制 系统 原 理 图 一 路 经 二 位三 通 电磁 阀 、减 压 阀 、压 力 传感 器 ，最 后 到 张 紧气 缸 。该 回 路 用于 气 动 张 紧 ，张 紧力通过减压阀来调节 。一般在0 ． 2 ～0 ． 4 MP a 。压 力传感器检测张紧气缸内的压力 ，并将压力值传 送给P L C，如果张紧气压小于0 ． 2 MP a ，P L C 禁止系 统进行磨削加工作业，防止危险事故发生。 另两 路经 过2 5 t m过滤 器 、比例 压 力 阀 、二位 五通 电磁 阀，最后分别到达水平接触力补偿气缸 和垂 直 接 触 力补 偿 气 缸 。 该 回路 用 于 磨 削 时接 触 力补 偿 ，其 工作 原 理 用 机器 人 控 制 器 或人 机 交 互器设定比例阀工作的气压 ，P L C将该气压值经D ／ A转换后传送给比例 阀。在磨削加工过程 中，当 第3 3 卷第2 期2 0 3 1 - 2 上 I 4 5 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 、 l 匐 矽 化 接触力波动时 ，比例 阀会 自动将气压维持在上述 设定值 ，抵消接 触力波动 对气压 的影响 。 2 ． 3 机器人控制器 机 器人控 制器 选 用 “ AB B I R B M2 0 0 0 ”系 列 机 器人 。在P L C与机器人通 讯 中，根据磨 削工艺要 求 、机器人姿态对砂带磨削机床接触轮位置的要 求以及对磨削力的要求等， 通过机器人控制器与砂 带磨削机床控制器的通讯， 可在线改变磨削机床的 磨削参数、接触方式、磨削力大小 以及更换不同 轮径 的接 触轮 等， 以完成 对 不 同形 状 曲面 工件 的 磨 削加工 “ 。 2 ．4 人机交互器 本 系统人机交互器采用触摸屏控制，其型号 为F 9 4 0 WG OT T WO C，它可在触摸屏上直接对 P L C 进行监控及编程 。触摸屏界面 由触摸屏组态 软件 进 行 设计 、编 译 ，然 后 通过 R S 2 3 2 编 程 电 缆 下载到触摸屏即可使用。用触摸屏作为人机交互 器 ，既可 以简化 、方便作业管理 ，又可以监控和 报警，在触摸屏上显示 系统运行状况 ，通过触摸 屏还可以在线进行转位控制 、调整速度、气压等 加工工艺 参数 。 2 ． 5伺服电机控制系统 P L C 控制器、伺服驱动器、伺服电机等 成 伺服控制 系统来控制转位锁紧机构的运转进行换 位 。伺服电机在驱动器的驱动下，通过减速器驱 动旋转臂旋转 以实现接触轮旋转换位 ，目标位置 由光电编码器 的反馈信号反馈给P L C控制器 ，在 P L C 控 制器 的控 制下保证 旋转 的精 度 ，机 构旋转 时 有编码器进行位置反馈，定位准确 ，为系统离线 编 程 提供 了方便 ，避免 了频 繁换 轮 和 重新 标 定 ， 节省了加工时间。其硬件配置如下 1 伺服驱动器 伺服驱动器选取型号为MR J 2 S 一 1 0 0 A，分辨率为1 3 1 0 7 2 脉冲／ 转的绝对位置编 码器，具有位置控制模式、速度控制模式、转矩控 制模 式 、位 置／ 速 度控制切 换模 式 、速 度／ 转 矩控 制 切换模式、转矩， 位置控制切换模式多种控制方式。 2伺 服 电 机 伺 服 电 机 选 取 型 号 为 HC S F S 8 1 ，额定功率为0 ． 8 5 KW，满载转速为1 0 0 0 r ／ mi n。 2 ． 6 变频电机控制系统 使用D ／ A转换功能，将P L C中1 2 位 的数字信号 转换 成0 ～ 1 0 V电压 信号 ，变频 器的 输 出频率 在 这 【 4 6 】 第3 3 卷第2 期2 0 1 1 - 2 上 个 电压信号的控制下调节变频电机 的转速，从而 改变砂带 的速度 。 1 变频器变频器是实现交流电机调 速的关键元器件 ，它是利用电力半导体器件 的通断功能将工频电源变换为另一频率的电能控 制装置。选用F R A5 4 0 - 3 ． 7 K - C H，适用于输出功率 3 ． 7 K W 以下 的变 频 电机 ，满足工 程要求 。 2 变频电机 选取型号为Y9 0 L 一 2 ，其额定功 率为2 ． 2 KW，满载转速为2 8 4 0 r ／ rai n 。 3 控制系统抗干扰设计 P L C具有可靠性高 、抗干扰能力强等特 点。 但对 于 工业 现 场 环境 过 于 恶劣 、电磁 干 扰 特 别强 烈、突然断电等情况发生时，经常造成P L C 接受错 误信号，产生误动作，或使P L C内部数据丢失，严 重时甚至会使系统失控。因此，在 系统设计时， 应 采取 相 应 的可 靠 性 措施 ，以消 除 或减 小 抗 干扰 的影响，保证系统的正常运行 J 。 1 接地 保护 设计 接 地是 抑制 干扰 、使 系统 可靠工作 的主要 方式 。P L C 一般 应与其 他设备 分别 采用各 自独立的接地装置，若有其他因素影响而 无 法做 到 ，也 可 以采 用 公共 接 地方 式 ，但 要 禁 止 使用串联接地的方式或把接地端子接到一个建筑 物的大型金属框架上，此种接地方式会在设备 间 产生 电位差 ，对P L C 产生不 利影响 ；电缆屏 蔽层必 须一点接地 ，如果电缆屏蔽层两端都接地，就存 在地电位差，有电流流过屏蔽层，产生干扰。 2 供电系统设计P L C 供电系统中可采用隔 离变压器、U P S 电源、双路供电等保护措施。 3 冗余设 计 冗余设 计 的 目的是P L C已可靠 工作 的基础上 ，再进一步提高其可靠性 ，减少出 故障 的几率和故 障后 的修 复时 间。 4 P L C 控制系统软件设计 二维磨削力控制砂带磨削机床的软件设计包 括P L C 软 件设计和 触摸屏 软件设计 。 4 ． 1 P L C 软件设计 由于砂带磨削系统上 砂带磨削机床组件接触 轮直径相对较小 ，主要应用于大 曲率曲面工件的 磨削 ，在软件设 计时称 为小轮单 元 ；而下 砂带 磨削机床组件接触轮直径比较大，主要应用于平 面 、小曲率 曲面工件的磨削，在软件设计时称为 大轮 单元 。 【 下转第8 9 页 】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 、 l 匐 4 结论 随着应用的复杂化和硬件的发展 ，一个嵌入 式控制器系统可能要同时控制和监视很多外设 ， 要 求 有 实 时 响 应 ，有 很 多处 理 任 务 ，各 个任 务 之 间有多种信息传递 ，因此嵌入式操作系统在嵌入 式 系统 中 将 会 发挥 更 大 的作 用 ，实 时 性 是绝 大 多 数 嵌 入 式 系统 的需 求 ，研 究 嵌 入 式 操 作 系统 内核 的实时化技术及其在典型嵌入式实时系统 中的应 用技术具有重要的意义。L i n u x 以其诸 多的优势不 但在桌面操作 系统 中获得 了巨大的成功，通过对 其 实 时性 能 等方 面 的 改 造 ，必将 在 嵌 入 式 领 域 发 挥 巨大 的作 用 。 参考文献 【 1 l邹 思轶 ．嵌 入式L i n u x 设 计与应用． 清华大学 出版社， 2 0 0 2 ． 【 2 ]Da n i e l P ． B o v e t ， Ma r c o C e s a t i ． 深入理解L I N UX内核 ． 第二 版 [ M] ． 中国电力 出版社， 2 0 0 4 ． [ 3 】李小群， 赵 慧斌． L i n u x实时调度方案的设 计与实现 【 J 】 ． 计 算机研究与发展， 2 0 0 3 ， 5 ． 【 4 】赵慧斌， 李小群． 改善L i n u x核心可抢 占性 方法 的研究与 实现【 J J ． 计算机学报， 2 0 0 4 ， 2 ． 专毒‘ { ． {赢‘ { 毒岛‘ {壶‘ { { { { {蛊‘{曲 {缸 是‘ {是‘ { 【 上接第4 6 页】 开 始 ’ 初 始化 子程 序 面板 操作 子程序 机器 人 通1 人 机交 互 信子程序 I [ 子程序 l Y 一 小接 触轮 停 止子程 序 N 完成 大接 触轮停 止子程 序 参数 调 整 电机 速度 调 整子程序员 接触轮 位置 调 整子程 序 接触力补偿 调 整 子程 序 图 4 P L C控 制软 件 系统 逻 辑 流 程 图 软件 系统总体可分为响应面板操 作子程序 、 机 器 人 通 信 子程 序 、HM1 人 机 交 互 子 程 序三 大模 块 。响应面板操作 子程序包括大轮工作子程序 、 大 轮 停 止 子程 序 、小 轮 工 作 子 程 序 与 小轮 停 止 子 程序 。机器人通信 子程序 、HM1 人机交互子程序 主 要 应 用 于 系统 参 数 的调 整 ，如 电机 速度 、接 触 轮 位 置 、接 触 力气 缸 压 力 值 等 。在 软 件设 计 时需 调用 电机速度调整子程序 、接触轮位置调 整子程 序 、接触力补偿调整子程序 。根据系统 的工艺过 程 与 系统 的控 制要 求 ，可得P L C 控制 系统 流程 图如 图4 所示 。 4 ． 2触摸屏软件设计 根据二维磨削力控制砂带磨削机床的控制和 操 作 要 求 ，设 计 了主 界 面 、 参数 设 置 界 面 、信 号 监控界面、参数显示界面等。 5 结论 本 文 详 细 讨论 了三 菱 F X系 I] P L C用 于 一 维 磨 削力控制 与二维磨削力控制 相结合 的砂带磨削机 床 的组成 、工作原 理、控制 系统的硬件组成和软 件设计 。系统将机 器人重 复定位精度高的特 点和 P L C出色的逻辑控制功能融合为一体 ，提高了磨削 加工精度 。实践证 明，该 系统操作方便 ，运行稳 定可靠，自动化程度高。 参考文献 f 1 】张照 华， 负超， 李成 群． 基 于P L C的一 维力控 制系统研 究 [ J 】 ．机 电产品开发与创新， 2 0 0 7 ， 2 0 2 1 1 6 一 u7 ． [ 2 ]李成群， 负超 ， 张习加， 等． 机器人柔性磨削机床的恒磨削 力 补 偿 机 构 及 其 动 力 学 分 析 [ J 】 ． 机 械 科 学 与 技 术， 2 0 0 8 ， 2 7 2 7 0 1 ． [ 3 】王万丽， 等． 三菱 系 I] P L C 原理及 应用[ MI ． 北京 人民邮 电 出 版社 ， 2 0 0 9 ． 【 4 】郁汉琪． 电气控制与可编程控制器应用技术[ M】 ． 南京东南 大学出版社， 2 0 0 3 ． 【 5 】王开 夏． P L C控制 系统 的抗干扰技 术【 J I _机 床电器， 2 0 0 5 ， 4 4 4 4 6． 【 6 ] 洪 云飞， 李成群， 负超． 用于复 杂空 间曲面 加工的机器 人 磨削 系统Ⅲ ． 中国机械 工程 增刊 ， 2 0 0 6 ， 8 1 5 0 1 5 3 ． 第3 3 卷第2 期2 0 1 1 - 2 上 I 8 9 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m