基于三菱L-PLC的电子槽轮实验台设计

朱新杰, 王庆九, 顾大强, 詹建潮

(浙江大学 机械工程学院, 浙江 杭州 310027)

传统机械领域迫切需要与最新的工业控制技术相融合,以满足“中国制造2025”战略的需求。高等学校的机械类课程也要尽早引入相关内容的实验教学以适应工业变革带来的对人才的新要求[1-5]。浙江大学机械工程实验教学中心在这方面进行了诸多有益的探索,实验设备的改进与创新就是非常典型的一个方面。

1 槽轮机构

槽轮机构又称为马尔他机构,如图1所示，它由具有径向槽的槽轮、带有圆销的拨盘和机架组成。拨盘作匀速转动时,驱使槽轮作时转时停的间歇运动。拨盘上的圆销尚未进入槽轮的径向槽时,由于槽轮的内凹锁住弧β被拨盘的外凸圆弧α卡住,故槽轮静止不动。图中所示位置是当圆销开始进入槽轮的径向槽时的情况。这时锁住弧被松开,因此槽轮受圆销驱使沿逆时针转动。当圆销开始脱出槽轮的径向槽时,槽轮的另一内凹锁住弧又被拨盘的外凸圆弧卡住 ,致使槽轮又静止不动,直到圆销再进入槽轮的另一径向槽时,两者又重复上述的运动循环。槽轮机构简单、机械效率高,并且运动平稳,因此在自动机床转位机构、电影放映机卷片机构等自动机械中得到广泛的应用[6-8]。

图1 槽轮机构运动简图

L系列PLC是三菱电机近几年推出的可编程控制器产品,具有结构精巧,性能强大的特点,其模块化的结构非常适合于快速搭建简单的运动控制系统[9]。电子槽轮实验台同时设计有机械式的槽轮传动系统与虚拟的电子槽轮输出系统,可进行独立实验和对比实验。

2 整体方案设计

实验台采用一体式设计,电气控制部分与机械输出部分共置于实验箱中,系统组成如图2所示。PLC为系统的控制中心,上连触摸屏实时显示当前数据与状态、读取设定参数与运行指令,下接运动控制模块输出运动指令、读取定位状态。

图2 电子槽轮实验台的组成

将机械式槽轮机构与电子槽轮输出机构组合到一起可进行对比实验,分别用两只伺服电机进行驱动。1号伺服电机用于连接机械式槽轮机构的拨盘,再由拨盘带动槽轮转动；2号伺服电机由电子槽轮的输出直接带动一块安装于机械式槽轮之上的指示盘转动,如图3所示。

图3 机械式槽轮与电子槽轮指示盘的位置

系统设计有演示程序,先是机械式槽轮与电子槽轮指示盘各独立运转3周,表明两者无机械结构上的关联,再以各种不同的速度同步转动,展示在运动控制模块驱动下的电子槽轮的运动特性。

3 控制系统设计

3.1 人机界面

三菱GT1055触摸屏为实验台的人机界面提供了系统数据与状态的实时监视与设定功能[10]。设计有一个开机界面与“自动运行”“手动运行”“原点设定”等3个功能界面,如图4所示。

图4 触摸屏界面

3.2 运动控制系统

运动控制系统使用了模块化结构的三菱L系列控制器,包括一只L61P电源模块、一只L02SCPU模块和一只LD77MH16简单运动控制模块。其中：(1)L61P电源模块可接220 V输入,能提供5 V 5 A的输出电源；(2)L02SCPU是三菱高性能L系列PLC中的一员,该款PLC具有80 k步程序容量，能扩展1024点输入输出点，基本指令处理时间可高达40 ns/条[11]；(3)LD77MH16简单运动控制模块是三菱公司推出的一种高速定位控制单元,其定位启动时间最短可达到0.8 ms,模块不仅配备了诸如原点复位控制、定位控制及手动控制等基本功能,还增加了许多附加措施以提高控制的可靠性与安全性,通过控制方式、定位地址及指令速度等的数据组合,每个轴最多可以设置600组定位数据[12]。

3.3 控制器数据单元的分配

系统自定义的辅助继电器(M)如表1所示。其中n值为3～5，分别代表机械式槽轮拨盘轴、电子槽轮指示盘轴与虚拟轴。各轴的状态数据是通过读取运动控制模块的相应数据单元(G2417+100n)而得到的。在PLC程序中CPU周期性地读取各轴状态至M继电器数组,以达到实时监控的目的。

表1 辅助继电器(M)数据分配

系统自定义的字数据存储单元如表2所示。在PLC编程软件GX Works2中,将位于D3000-D3999段数据进行了锁存设置,使得在PLC掉电的情况下,该区域数据也能被保存。

表2 PLC字存储单元(D)数据分配

3.4 系统控制流程

系统主要功能模块即触摸屏、PLC与运动控制模块分别用于处理人机对话、程序流程与伺服定位,在运行过程中通过不同的方式共享数据、交换信息。PLC掌控整个程序流程,其程序主体结构主要包括 “LD77MH16 Servo参数设定”“Servo状态显示”“Servo JOG控制”“Servo OPR操作”“Servo 自动运行控制”及“意外错误处理”等多个程序段。

3.5 运动控制模块的设定

LD77MH16简单运动控制模块最多能连接16根输出轴。本实验台中设计了3轴输出(轴4、轴5和轴6),如图5所示。其中轴4与轴5分别对应着机械式槽轮拨盘轴和电子槽轮指示盘轴,轴6为虚拟轴,用于在连续运转时,作为轴4轴5的轴入轴以达到同步的效果。

程序中用到的部分运动控制模块内部参数如表3所示。

表3 运动控制器内部相关参数

图5 运动控制模块与伺服驱动器连接图

3.6 伺服放大器与伺服电机

MR-J4W2-44B伺服放大器以光纤的形式通过高速同步网络与运动控制器连接,利用指令模块的数据执行伺服电机的转速和方向控制,以及进行高精度定位。该款伺服放大器的最大特点是集成了两轴控制模式,节约了模块成本与安装空间。所采用的SSCNETⅢ光通信系统大大提高了通信速度并减小了噪声误差,其速度频率响应达到2.5 kHz[13]。与伺服放大器相连接的HG-KR43J伺服电机安装了具有4194304Pls/Rev的绝对式编码器,能实现精确的控制[14]。伺服放大器的预置参数如图6所示。

图6 伺服放大器参数设置

4 实验台机械部分

实验台配备了多套具有不同外形尺寸与结构参数的机械槽轮传动装置。拨盘为主动件,其上安装有一个圆销与一块锁止弧,图7所示的一种拨盘圆销数K=1,圆销中心回转半径R=22.5 mm。

图7 机械式槽轮的拨盘结构

图8所示的是实验台的一只外槽轮,具有6个齿槽,槽顶高H=39 mm,槽底高h=16.5 mm。槽轮上方有机玻璃盖板为电子槽轮的指示盘,在指示盘上做有标记,用于观察在进行机械式槽轮与电子槽轮对比实验时的位置同步情况。

图8 机械式槽轮盘与电子槽轮指示盘

5 运动曲线的设定

在GX Works2 中可以分别为轴4和轴5设定规律性的运动轨迹。拨盘以设定的速度连续转动,因此其输出轴的轨迹参数可直接设置为直线往复式(廓线号为0),如图9所示。电子槽轮轴的运动轨迹则可根据要求而设计,图10显示的是6个齿槽的槽轮的运动轨迹,间歇运动的相邻2个静止段采用了正弦曲线作为过渡。GX Works2软件里提供了匀速、恒加速度、5次Bezier、单弦、摆线、变形梯形、变形正弦、变形匀速、梯弦形、反梯弦形、双弦与反双弦等多种曲线类型供用户选择,如图11所示。设置参数与廓线数据需下载至运动控制模块中保存以供伺服系统调用。

图9 拨盘转轴运动轨迹

图10 电子槽轮运动轨迹

图11 GX Works2中可用的凸轮曲线类型

6 结语

实验台集成了机械式槽轮与电子槽轮,经对比可以发现,基于伺服运动控制技术的电子槽轮系统结构简单,可通过在软件中更换运动曲线的方式快速调整运动规律,方便快捷且控制精度高,具有传统槽轮机构无可比拟的优势。学生通过实验,不仅进一步掌握槽轮的结构性能与运动规律,同时也初步了解了以PLC为核心的工控系统的组成要素与控制方法,能培养创新性思维,举一反三,探索传统机械结构与最新工控技术的结合点,为日后从事机械行业打下更为全面的、扎实的基础。