基于PLC的光栅刻划机控制系统研究.pdf

1 匐 似 基于P L C 的光栅刻划机控制系统研究 Res ear ch on PLC- bas ed cont r ol sy st em o f gr at i ng r ul i ng engi ne 王淼 V ＼／ ANG Mi a o 长春汽车工业高等专科学校，长春 1 3 0 0 1 1 摘要光栅刻划机作为衍射光栅最重要的制作手段 ，其控制系统对获得高精度光栅具有重要影响。设 计并实现了以P L O 为核心的光栅刻划机的控制系统，控制系统以伺服电机编码器的检测信号作 为速度反馈 ，以光栅尺和读数头信号作为位置反馈，以温度传感器信号为温度反馈，可以极 大地提高光栅刻划机的控制精度。控制系统主要包括PL O、伺服电机和伺服驱动器等硬件模 块 ， 完成P L O 选型后对主要的接口电路进行了设计，并基于L a b V l E W软件实现了光栅刻划机 的远程监控系统 ， 提高了光栅刻划机的效率。 关键词光栅刻划机 ；PL C；控制系统 ；L a b V l E W 中图分类号 T M5 7 1 ． 1 文献标识码 A D o j 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． is s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 4 ． 0 9 上 ． 3 9 0 引言 光栅 作为现 代高精度光谱仪器的核心元件 ， 广泛应用于天文学 、光通信及 国防等诸 多重要领 域 ，其制造能力已成为光谱仪器技术的关 。目 前通过高精 度的光栅刻划机刻划衍射光栅依然是 制作高 质量母 光栅最重要 的手段 ，而光栅 刻划机 的刻划质量则在很大程度上取决于其控制 系统 的 控制精度但 ，3 1 。因此研 究高精 度的光栅刻划机运动 控制系统对获得高精度光栅具有重要意义。 针对 制作高质量母光栅对光栅刻划机 的高控 制精 度需求，基于P L C可编程逻辑控制器设 计了 光栅刻划机位置和温度控制 系统 ，控制 系统 以交 流伺服 电机为动 力元件 ，使用加热板控 制器为温 控设备 ，可 以实现光栅刻划机工作 台的高精度控 制 。同时 为便 于实 时 了解 光栅 刻划 机 的工 作情 况 ，还基 于L a b VI E W软件开 发了光栅刻划机的远 程监控系统 。 1 基于P L C的控制系统 以P L C为核心 的光栅 刻划机控制 系统原理图 如图l 所示 ，控制 系统主要通过控制两台伺服 电机 图中M来完成光栅的分度及刻划 工作循环 ， 系统 还通过 温度模块对光栅刻划机工作环境温度 进行控制 。光栅 刻划机进 行光栅 加工时控制系统 P L C向执 行元件 伺服 电机和温度模 块 发送命 令 ，同时还接 收伺服 电机 编码器的检测信号、光 栅尺 和读数头信 号及温 度模块的环境温度作为反 文章编号 1 0 0 9 - 0 1 3 4 2 0 1 4 o 9 上 一O 1 4 6 - 0 3 馈 ，以便及时通过P L C 对执行元件的工作参数进行 更新修正，提高所加工光栅的品质 。 1 ． 蜗杆 蜗 轮 副 ； 2 ． 工 作 台 ；3 ．导 轨 4 ． 丝 杠 5 ． 曲柄盘6 ． 刀桥7 l 连杆 8 ． 刀架和刻刀9 ． 光栅尺和读数 头 图1 基于P L C的光栅刻划机控制 系统 控制 系统的核 D P L C选用三菱F x l N一 6 0 MT 可 编程控制器 ，其直接以2 2 0 V交流 电源为输入 ，且 有6 0 个U O点的基本单 元 其中直流输入3 6 点、晶 体管输出2 4 点。F x l N一 6 0 MT 的输入接 口电路如 图2 所示，其 中虚线框内为P L C内部电路 ，R1 为限 流 电阻，R 2 和C1 构成滤波 电路，发光二极管与光 电三极管封装成光 电耦合器 ，该点的输入状 态通 过L E D发光二极 管指 示 。若 C OM端 接低 电平 ， 则 开关S W4 闭合 ，光 电耦 合器 的二 极 管 中有 电 流流 过 ，光 电三极 管 导通 ，开 关S W4 闭合 的信 号被 送 入 内部 电路 ， 同时L ED灯 亮 ，指示 开关 S W4闭合 。 光栅刻划 机控制 系统的温度 模块选用F x 2 N一 4 AD P T 模拟量输入模块和F x 2 N一 2 DA模拟量输 出 模块 。F x 2 N一 4 AD P T 将来 自四个 箔温度传感器 的 收稿日期2 0 1 4 - 0 5 - 2 4 作者简介王淼 1 9 6 3一 ，女，吉林长春人，副教授，硕士，研究方向为电气自动化。 1 1 4 6 1 第3 6 卷第9 期2 0 1 4 - 0 9 上 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 匐 化 广一 一 一 一一 一 一 一 一一一 一 ] 图2 P L C输入接 口电路 输入信号放大并转换为1 2 位可读数据 ，在程序 中 占用8 i ／ o点 ；F x 2 N一 2 DA用于将l 2 位的数字值转 换成2 点模拟 电压输 出和电流输 出并将它们输入到 P L C中，在程序 中占用8 4 - 1 ／ o点。 2 各接口电路的设计 P L C光栅 刻划机控 制系统 主要 包括1 以断 路器和继电器为主的开关保护电路；2 P L C 与伺服 驱动器 间的接 口电路 ；3 P L C与光栅反馈装置 间 的接 口电路；4 P L C和温控设 备间的接 口电路 等 接 口电路 ，在此仅前给出前个接 口电路的设计 。 2 ． 1 开关保护电路 控制系统设置 了常开与常闭两个控制按钮以对 开关保护电路中的继电器、 断路器及接触器等进行控 制操作。 开关保护电路的继电器选用0 MR O N MY4 J 一 2 4 V DC型直流继 电器、断路器选 用Me r l i n Ge r i n Mu l t i 9 一 C 6 5 N． C 2 型交流断路器与Me r l i n G e r i n E a s y 9 一 C6 - EA9 A N1 C6 型 直流 断路 器 、接 触器 则选 用 T e l e me c a n i q u e L C 1 一 D0 9 1 0 型交流接触器。 总开关控制电路如 图3 所示 ，其工作过程 为 2 2 0 V交流上 电并闭合交流断路器 ，按下常开按钮 的瞬 间，继 电器 线圈通 电后三组 触点 端 子2 和 3 、5 和6 及8 和9 闭合 ，触点2 输 出2 4 V直流电通过 常闭按钮给继电器线圈供电 ，电路保持连通继 电 器工作 ，然后触点5 输 出2 4 V直流电供给伺服驱动 器的开关控制 系统 ，触点8 则输出2 2 0 V交流 电给 P L C 供电。 PT． 图3 总开关控制电路图 2 ．2 P L C n 伺R a n g 动器的接口电路 控制 系统 选用三 菱MR J 2 S 一 4 0 A型伺服驱 动 器 ，其硬件接 口电路如图4 所示。伺服驱动器的主 电路和控制电路分开供电，其 中P L C 的输 出公共端 子与伺服驱动器CNI A接 口的公共端相连 ，P L C的 输 出端子Y1 、Y5 分别与C N1 A的脉冲控制端子P P 和NP 相接 以控制 电机的正反转，P L C的输出端 子 Y3 与C N1 A的速度选择端子S P 1 相接以判断 电机 是 否处于速度控制模式，C N1 A的O P C端子和C OM端 子短接以提供驱动器内部使用的低压 电源。伺服驱 动器输 出三相电源驱动伺服电机，伺服电机同轴编 码器通过双绞屏蔽电缆把反馈信号传递到伺服驱动 器的C N2 接 口，形成伺服系统的闭环控制。 C ope1 ． Yl p P U YI ． ≥ ． C 2 ql A U 、 V 、 Y r S P1 W C_ O M i 釜 鱼 ． 匕_ i ～ 生 帆 2 2 0 V． ＼ ／ N ～ T 2 2 口 空 { ljI 电路电源 伺服电机 N r 一 图4 P L C和伺服驱动器的接 口电路 2 ．3 P L C 和光栅反馈装置之间的接口电路 光栅刻划机控制 系统 的光栅尺为R e n i s h a w反 射式金属光栅尺 ，初始分辨率为2 0 岬 ，经过2 0 0 细 分后，反馈系统的最终分辨率为1 0 0 n m。读数头经 细分后输出A、B二相正 交、占空比为5 0 ％的5 V方 波信号 ，而P L C能接收的信号的电压为2 4 V，因此 设计 了脉冲接口模块 图5 将5 V电压信号转换为 2 4 V电压信号供P L C 计数 。 3 远程监控系统实现 光栅刻划是相当漫长的过程，这就要求光栅刻 划机的控制操作应尽可能的简单友好 ，传统的P L C 人机界面已无法实现高效率的光栅制造 。基于图形 化的L a b V I E W平台设计光栅机远程 监控 系统 ，通 过P C 终端软件即可完成实时刻划数据显示、数据查 询、数据分析及数据库建立等操作，这样不仅可使光 栅刻划机的刻划过程更为直观易懂，而且还能及时 发现光栅刻划过程中的异常情况 ，提高光栅刻划过 程的可靠性和光栅刻划机的刻划效率。 3 ． 1 P C 与P L C 间的通信 计算机与P L C 间采用主从方式进行通信，即以 计算机为主机而P L C 作为从机，一个网络中只能有 第3 6 卷第9 期2 0 1 4 0 9 上 [ 1 4 7 ] 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m