基于 PLC和觸摸屏的電動缸自動測試系統設計

電動缸是一種提供直線推力的運動裝置 , 是一種高響應、長壽命的執行機構 , 在諸多領域得到廣泛應用 , 包括 : 六自由度并聯運動平臺、娛樂仿真設備、生物測試設備、造波機、疲勞測試、飛機結構強度測試、動態仿真等。

在電動缸作為執行機構的控制系統中 , 電動缸直接由伺服驅動器控制 , 不再需要油、氣等中間媒介傳遞動力 , 而采用油、氣等動力傳遞媒介正是產生運動仿真、測試系統控制誤差的主要原因 , 從而導致不準確、使用不方便 , 所以電動控制系統比液壓系統具有更優越的控制性能 , 速度更快、承載能力更高、壽命更長。系統的控制性能不會受環境溫度、易污染的液壓閥和流體介質等因素影響 , 無需隨著使用環境條件變化而做相應調整 , 減少設施投入和設備維護 , 節省安裝空間且安裝拆卸、調試方便。同時系統也可使用220 V (單相或者三相 ) 交流電源 , 電機和伺服驅動器之間的連線也非常簡單 , 不再需要液壓系統中復雜的油泵、管路、冷卻系統以及其他附屬設施。

與氣缸相比 , 電動缸可以應用在那些不太適合使用高壓空氣的場合。與氣缸所產生的軸向運動相比 ,螺紋的使用使運動有了更高的速度和力矩。在最新的電動伺服系統中 , 在控制速度、位置和扭矩時 , 可以對每個動作進行設定。這個特點使一個簡單的 圓柱體 成為一個真正的自動化系統 , 具有體積小、性能優、便于維護等優點。電動缸也可以采用滾柱絲杠技術使系統具有更高的機械剛性、更長的使用壽命、更高的抗沖擊能力。高效堅硬的滾珠絲桿適合做精確定位和長距離往復運動 , 適合大軸向載荷的往復運動 , 并能夠獲得更高的可靠性和更長的使用壽命。

而廠家提供的電動缸出廠前需要進行嚴格的質檢及功能測試。為使其功能能夠滿足客戶的需求 , 出廠測試顯得尤為重要。目前的測試手段基本上為人工手動測試 , 這樣在測試上需要投入大量的時間和精力。

為提高檢驗環節效率 , 需要一種專門的測試系統來代替人工測試 , 使整個測試更高效、準確、全面。作者受某公司委托開發這個測試系統。

1 測試系統的介紹及特殊要求

電動缸的出廠測試項目主要包括行程測試、走合測試和速度測試 , 應能根據所測對象的不同而進行相關參數設置 , 所以該系統主要有 3個功能塊 :

(1) 行程測試。

該項測試需要設置前進和后退兩個按鈕 , 按照設計要求對整套系統進行全行程測試; 電機的運行速度根據實際需要可方便調整 , 在最近端和最遠端都停止 , 由外部測量機構得到該缸的真實最大有效行程 (根據操作人員的工作習慣 ), 檢驗其在最近端和最遠端是否出現堵轉現象或者轉矩過大的現象 ; 同時檢查最大行程是否滿足出廠規格。

( 2) 走合測試。

在規定的走合時間內 (一般為數個小時 ) 整套系統運行的平穩性測試。走合測試受按鈕控制 , 按下走合測試按鈕 , 電機開始運行并計時 , 在所設置的范圍內自動往復 ; 走合時間到 , 電機停止運行。

( 3) 速度測試。

根據測試相關規程 , 電機設置低、中、高 3種速度進行測試 , 分別設 3個按鈕控制。電機在運行過程中 , 要求監控并采集相關數據 ,如電機速度、驅動扭矩等 , 將數據用圖表顯示 , 并且進行存儲 , 方便檢查和調用。

為提高工作效率和充分利用現有設備的性能 , 系統采取了雙通道設計 , 即單臺 PLC控制兩臺電動缸 ,提高效率、節約時間和成本。

對于整個系統而言 , 需要測量的主要對象有電動缸的最大有效行程、在較長時間的運行的平穩性、電機的轉速和轉矩。電機的轉矩是測量對象中重要的一個參數 , 反映了電機動態性能是否達標 , 對實時性的要求很高。作者在設計時綜合考慮了現場需求、操作習慣、測量精度、采樣率、兼容性及價格等因素 , 對采用的元件進行了選型。

2 系統的硬件設計

系統選用松下 PLC和 W einview 觸摸屏為控制核心單元。可編程邏輯控制器 (簡稱 PLC) 是專為在工業環境中應用而設計的一種工業控制用計算機 , 具有抗干擾能力強、可靠性高、體積小等優點 , 是實現機電一體化的理想裝置。

選用松下 FPX PLC, 是一種適用于小規模設備控制的小型通用 PLC, 具有 32 k步的程序容量和 0 32 s的程序容量 , 能夠利用 U SB通信端口與計算機直接連接 , 提供標準 RS232C接口與顯示裝置通信 , 脈沖輸出頻率最大可達 100 kH z , 可以使用模擬定時器 ,提供 32路 24 V DC輸入和 28路晶體管輸出。 PLC內部的可編程單元主要有輸入繼電器 X、輸出繼電器Y、定時器 T、數據寄存器 DT等等。

觸摸屏 為 威 綸 M T6056iV, 5 6 英 寸, 分辨 率320 234, 65 536色, 外接電壓為 24 V, 400MH z的處理器 , 有 64MBDDR2內存和 128M B 閃存 , 通過組態軟件 EB8000 制作人機界面和操作軟件。

模擬信號的采集、轉換 , 出于需要采集負電壓的要求而選用 FP0A21模塊 , 且必須通過擴展 FP0適配器與 FPX 配合工作 , 具有 16位 2個輸入通道和 1個輸出通道 , 具有較高的精度和較強的抗干擾性。

試驗用電動缸分別為松下公司 M INAS-A 4系列MSMA 152P1電機 配 套 MDDDT5540 驅 動 器 和韓 國M acapion公司 AnyPack 系列 APM-SB04ADK 2電機配套 APD-VS04N 驅動器。

在系統 中, 觸摸 屏 (HM I) 和 PLC 之間 采用RS232串行通信 , PLC根據程序設定以及外部輸入做出邏輯判斷 , 并且輸出 2路脈沖提供給 2個驅動器 ,分別控制對應電機的動作。而驅動器提供的模擬電信號 (電 機 轉速 和 驅動 轉矩 的 檢測 信 息 ) 均通 過FP0A 21模 塊進 行 A /D 轉換, 轉換后的數字信號從PLC編程處理后送入到工控觸摸屏中 , 且觸摸屏可以進行數據圖表記錄和圖形顯示 , 從而實現對電動缸的相關信息的在線監測。

電機驅動器的控制線均為 50芯接口 , 根據需要功能選取需要用到的針腳 , 制作控制線。 PLC端口分配與對應控制針腳如表 1所示。

從表 1可以看出 , 需要采用 4輸入通道的 AD 模塊 , 但價格昂貴。由于走合測試的時間往往較長 , 根據操作習慣 , 往往在一臺走合的時候 , 可以對另一臺進行行程和速度測試并且進行數據監測和存儲等工作 , 所以在這里 , 使用 2個開關制作了雙控電路 , 大大節約了成本 , 使原本需用 4個 AD 通道的情況僅僅使用 A21 就可以解決問題。當需用測量某臺電動缸的時候 , 撥動其對應開關接通 , 另一路開關斷開即可。電路圖如圖 2所示。

3 系統的軟件設計 、工作原理 、 程序作者使用松下公司提供的 W indow s環境下的 PLC編程工具 FPW IN GR進行 PLC程序的編寫、編譯和下載 , 其具備 3種程序編輯模式 : 符號梯形圖編輯模式、布爾梯形圖模式和布爾非梯形圖模式 , 支持數據、觸點和時序圖監控 , I /O分配 , 在線編輯。主程序流程如圖 3所示。

由于出廠前的電動缸一般都為裸機 , 還沒有根據客戶方的要求安裝限位開關 , 且由于在該系統中需要測量最大有效行程 , 所以在不能使用限位開關的情況下 , 如何保證電動缸在運行過程不發生撞缸堵轉現象 , 從而保證電動缸的安全運行 ? 作者經過反復思考、實驗論證 , 最終使用轉矩限制信號來解決該問題。轉矩限制信號一般由伺服電機驅動器的 I/O 接口中某個針腳提供 , 在電機轉矩達到參數設定值時 , 該針腳輸出有效 , 將 PLC 某輸入端子與之相連 , 檢測其變化 , 作為程序中保護動作的觸發條件。程序示例如圖 4所示 , 在這段控制某缸的行程測試的部分程序中, R60和 R61兩個常開觸頭分別作為電動缸前進和后退的動作開關 , 而 X0 接受對應驅動器提供的轉矩限制信號 , 來控制中間繼電器 R60 和 R61的通斷電。

當 X 0有效 (斷開 ) 時, PLC停止發送脈沖 , 電機停止運轉 , 從而起到類似限位開關的保護作用。經多次實驗驗證 , 在電動缸默認的參數設置下 , 符合絕大多數工作場合要求 , 即在電機轉矩達到 300% 額定轉矩才輸出轉矩限制信號 , 也能正常、安全地起停電機。

操作界面軟件的設計主要基于 EB8000 組態軟件。作者通過組態軟件 , 實現觸摸屏上的相應功能 ,通過對程序模塊的集合 , 快速、直觀地生成人機界面, 建立完整的解決方案 , 直觀地顯示在觸摸屏上。該軟件內容豐富 , 支持松下、西門子、三菱、歐姆龍等公司各系列 PLC設備。該軟件與以往工控軟件相比, 降低了開發難度 , 縮短了觸摸屏系統的開發周期。

系統的軟件主要由運行界面、參數設置、行程測試、走合測試、速度測試、數據存儲顯示 6個部分組成, 在每個功能塊里面均可以進行缸 1和缸 2 的切換。

參數設置。在這個界面設置測試缸的編號 , 額定轉矩和轉速及其對應的輸出模擬電壓比例 , 減速比 , 電動缸的導程 , 每圈脈
沖數 , 希望測試的 3種速度具體值等參數。

行程測試。可以自由設定運行速度 , 提供前進、后退和停止 3個按鈕進行控制 , 由于工作現場要求和設備性能限制 , 暫時只提供人工在最近及最遠端手動測量 , 以后可以擴展功能 , 加裝外部測量裝置進行自動測量以及數據記錄。

走合測試。提供時間設定、轉速設定、走合起始位置和終點位置 4項功能設定 , 并且進行當前電動缸位置的實時檢測及顯示 , 需要注意的是這里的位置信息實際上是由脈沖數換算得來 , 并沒有外部測量裝置構成全閉環。

速度測試。同樣提供兩個缸的功能切換 , 在不同速度和方向的工作狀況下 , 都有速度和轉矩兩個數值顯示框 , 提供電機驅動轉矩的即時趨勢圖 , 采集頻率為 10H z, 可以檢視圖中任意時刻且在檢視數據框中顯示 , 數據的采集和停止由對應的功能按鈕來控制。

在速度測試頁面點擊歷史圖按鈕進入電機啟動過程的數據圖示 , 記錄時間 1 s, 提供高達 100 H z的采樣頻率。點擊數據按鈕可以進入歷史數據表格記錄。該觸摸屏可以存儲 7天的數據 , 每天數據量最高可達80 000組, 已能滿足工作需求 , 如圖 6所示。

當需要保 存更多 數據時 , 可 以使用 U SB數據延長線 連接 一個 U盤 , 選擇將數據保存至U 盤 即 可。 使 用EB8000 軟件的轉換功能可以很 方便將 數據導出為 Excel 表格類型。

如果在測試過程中 , 運行出現異常狀況 , 則由觸摸屏提供聲光報警。事故處理完畢后 , 需回到運行首界面進行報警信號清除 , 且恢復使能 , 才能重新正常工作。

4 結束語

基于 PLC和觸摸屏的電動缸自動測試系統 , 具有自動化程度高、界面直觀、功能強大、靈活性高等優點 , 可以有效地提高測試的效率 , 具有很好的應用前景。目前 , 該系統已在該公司投入使用 , 較好地滿足了該公司電動缸出廠時的檢測需要 , 提高了工作效率。

4 結論

通過建模與仿真分析 , 文中所給出的 CNC壓機系統選型方案 , 位置和速度控制性能比較理想 , 而在壓力控制方面 , 響應時間較長 , 壓力卸載時產生的峰值需要注意。