基于PLC的水晶研磨机控制系统设计与实现.pdf

第 5期 总第 1 6 2 期 2 0 1 0年 1 0月 机 械 工 程 与自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEERI NG AUT0MATI oN No ．5 0c t ． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 O 0 5 0 1 5 5 0 3 基于 P L C 的水 晶研磨机控制系统设计 与实现 刘 涛 ，刘漫丹 华东理工大学 信息科学与工程学院，上海2 0 0 2 3 7 摘要 采用 THI NG E T X C3系列 P L C及 T o u c h Wi n人机界面实现 了水 晶研磨机 的控制 。 通过人机界面输入水 晶珠 的加工参数，包括 时间、速度和角度参数 ，通过 P L C的在线计算，将输入的速 度和角度参数转化为脉冲 量并传送到步进 电机驱 动器 ，再驱 动步进 电机按设定 的速度和角度对水 晶珠进行加 工。 关键词 水 晶研磨机 ；P L C；步进 电机 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码 A 0 引言 P I C作为一种工业控制用计算机具有模 块化结 构 、与智能模块的配置灵活、处理速度高、数据处理 高速精确 、设计 与维护方便 以及优越 的性价 比等特 点 口 ] ， 广 泛 地应 用 于开关 量 的逻辑 控制 、 模 拟量 控制 、 运动控制、 过程控制、 数据处理 、 通信及联网等方面 ] 。 水晶研磨机是水晶加工企业的常用机械 ，其高速 高效的特点是人工研磨不可比拟的， 使用 p I c来控制 水晶研磨机 ，能针对不同加工要求的水晶珠通过人机 交互界面设置其不同的加工参数，加工出各种形状精 美 的水 晶 。采用 T HI NGE T X C3系列 P I C来控 制 水 晶研 磨机 ， 既满足 了控 制 的要 求 ， 提 高 了效 率 和精度 ， 还 降低 了设 备 的成本 。 1水晶研 磨机 的控 制要 求 水 晶珠 样 品及相关 定 义如 图 1 所 示 。其 中 ，中心 轴线为水晶珠的三维立体中心线 ；面为水晶坯料在与 磨盘研磨后形成的切面；在研磨水晶珠时 ，把加工件 切面 与加工 件 中心轴线 的夹 角相 同 的几 个 面统称 为一 “ 行 ” ；行 角度 为水 晶加工 件 切面 与加工 件 中心轴 线 的 夹 角角 度 ；加工 时 中心轴 线 相对零 度位 置旋 转 的角度 是当前加工面的面转角 ；面深度为面加工起点到终点 的加 工行 程 ； 行高 度为 从 “ 0 ”点到 本行 中所 有面 的统 一 加 工起 点 的高度 。 水 晶研 磨机 的整 个控 制系统 主要 包括 调试 和加 工 两大部分。 调试部分主要完成 自动检测磨盘从原点上升 到 “ 0 ”点的高度， 将其存入相应的数据寄存器 ， 并逐行 调试要加工水 晶珠各行 的行 高度 ， 分别 将其存入 相应 的 数据寄存器。 加工部分主要分为 3 道工序 ， 分别为粗磨、 收稿 日期 2 0 1 0 - 0 1 1 l ；修回 日期 2 0 1 0 0 4 3 0 作者简介 刘涛 1 9 8 5 一 ． 男 。 江西吉安人 ， 在读硕士研究生 。 精磨和抛光 ，3道工序 的工艺流程基本 相 同。 中 心轴 线 图 1 水 晶珠 样 品及 相 关 定 义 2 水晶研磨机控制系统设计 控制器采用小型一体 化 P I C及一个配套的人机 界面 ，用 于工艺 参数 的设 置 、显示 与 系统 的控 制 。本 控制系统有 5个反馈输入信号 ， 其 中 “ 0 ”点位置装有 2个探头 ， 原点、初始行角度各装有 1 个探头 ， 还有 1 个 摆 动探 头 ；3路 开 关 量输 出用 于控 制 磨 盘 电 机／ 水 泵、气缸、摆动电机 ；3路脉冲数输出控制步进电机。 T HI NGE T X C3系 列 P I C 只 有 两 路 脉 冲 输 出 端 口 Y0 、Y1 ， Y0 端 口接升降步进电机驱动器， Y1 端 口通 过继电器再分别接摆角和转面步进电机驱动器。设置 了 3 个按钮 ， 分别用于控制系统的启动允许 、 启／ 停和 复位 。水 晶研 磨机控 制 系统框 图见 图 2 。 3硬 件设 计 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 5 6 机 械 工 程 与自 动 化 2 0 1 0年第 5 期 本系统选用 T HI NG E T XC 3系列 晶体管输出型 P I C，人机界面选用与其配套的 O P 3 2 1 一A按键式文 本显示器。水晶研磨机外部接线图如图 3所示。 人 机 界 面 探 头 脉冲输 出 升降步进电机驱动器 卜 _ ． 1 升降步进电机 行角度步进电机驱动 转面步进 电机驱动器 启动允许 启 ／ 停 复位 原点探头 “ 0 ”点探头 1 “ 0 ”点探头 2 初始行角度探 头 摆动探头 磨盘 ／水泵继电器 气缸继 电器 行角度步进 电机 l 行角度步进 电机 2 转面 步进 电机 1 转面步进电机 2 磨盘 电机 水泵 气缸 摆动继电器卜 _ 叫 摆动电机 图 2 水 晶研磨机控制系统框 图 一 _ X 0 Y 0 一． 八 J _ L _ 输 X 1 X 2 Y 1 一 _ J _ l 』 L 输 _ 厂 X 3 - ／ 一 X4 Y 2 廿 升 降 l X 5 Y 3 廿 换 行 _ ／ _ X 6 Y 4 廿 脱 机 ， 一 X 7 Y 5 廿 磨 盘 - ／ - Y 6 廿 气 缸 { Xl 0 Y7 廿 摆 动 l X1 1 X 1 2 Y 1 0 廿 继 电 { X 1 3 Y 1 l X 1 4 2 4 X I 5 C O M0 C 0 M C O MI 二 ] ’ COM2 制 图 3水 晶研 厝 机 外 部 接 线 图 当摆角转至初始行角度位置，面转角回到 0度位 置，升降杆下降，当感应到原点探头时，系统处于原 点状态。 X0为启动允许按钮，每次上电后 ， 只有先按 一 下该按钮 ，X1才有效，此时系统进入上粗磨流程。 X1为启／ 停 按钮 ， 当系统运行 时 ， 按 下该键 系统进入 暂 停 状态 ， 再 按该键 系统继 续运行 。 X2为复位按 钮 ，当 系统处 于暂 停状 态 时 ，按 下 该键 系统 回到 原点 状态 。 X3 为原点探头，用于检测磨盘是否在原点位置 。X4 、 X5 为 “ 0 ” 点探头 ， 此处用两个探头的作用是 压下检 测杆，当 1号探头感应到感应物时，磨盘以较快的速 度上升；在磨盘带动检测杆上升过程中，当 2号探头 再次感应到感应物时， 磨盘以较慢的速度上升， 当 1 号 探头再次感应到感应物时， 磨盘停止上升。 X6为初始 行角度 探头 ， 用 于定位 初始行 角度位 置 。 X7 为摆 动探 头 ，用 于定位 上部支 架横 向摆动停 止时停 留的位 置 。 Y0 、Y1为脉冲输出端口，Y0向升降步进电机驱 动器发送脉冲，Y1通过接收 Y1 0的继电器信号向摆 角 和面转角步进电机驱动器发送脉冲； Y2为升降杆方 向控制信号； Y3 为换行／ 转面方向控制信号； Y4为脱 机信号 ；Y5 Y7分别通过 中间继电器对磨盘／ 水泵 、 气 缸 、摆 动 电机 进行控 制 。 4 软件 设计 本产 品选 用与 T HI NG E T X C3系列 P L C配套 的 OP系列显示器。 OP系列是可编程序控制器的小型人 机界面 ， 以文字或指示灯等形式监视、修改 P L C内部 寄存器或继电器的数值及状态 ，从而使操作人员能够 自如地控制机器设备 。可通过编辑软件 OP 2 0在计算 机上作画，自由输入汉字及设定 P L C地址，使用串口 通 讯下载 画面 。 4 ． I 调 试程 序设 计 调试的主要 目的是 自动检测粗磨、精磨、抛光的 检测高及调试水晶珠各行的行高度，并将其存入相应 的数 据寄存 器进行保 存 。在 进行 调试前 ，系统应 处 于 原点 状态 。水 晶研磨 机调试 流程 图如 图 4所示 。 在主菜单 界面 ，压下检 测杆并 按住 不放 ，当检测 杆 随磨盘 一起上 升至 “ 0 ”点 位置 时 ，“ 0 ”点探 头 1 变 红，磨盘停止上升 ，检测高自动保存 ，此时按 “ E S C ” 键松开检测杆 ，水晶珠转到第一行第一个面位置，并 进入调试 流程 。 进入 调试 流程后 ，每按一 次 “ 行 空走 ”键 ，水晶 珠在该半球第一行和最后一行之间循环切换 ，磨盘回 “ 0 ”点位 置 ，并 转到该 行第一 个面 ，每按 一次 “ 面空 走”键 ，水晶珠在该行第一个面和最后一个面之间循 环切换 。 当水晶珠转到需要调试的行 ， 可手动升／ 降磨 盘对该行的行高度进行调节 ，行高度 同步显示在人机 界面的右上角 ，当调试好后 ，按 “ 保存”键可将行高 度保存到相应的数据寄存器 ， 以便 自动加工时调用 。 按 “ 慢动” 键可手动切换磨盘升降速度。当该半球所有行 的行高度都调节好后，按 “ 原点”键系统退 回到原点 状态，调试流程结束。 4 ． 2 自动运行程序 设 计 在选择上／ 下半球粗磨 、 精磨和抛光工序前 ， 系统 应处 于原点 状态 。如果不 满足这 一条 件 ，可 以按复 位 键或 手动使 系统 回到原点状 态 。水 晶珠 粗磨 、精磨 和 ，／， 口 且 里 关 - ． 1 开 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0 年 第 5 期 刘涛，等 基 于 P L C的水晶研 磨机控制 系统设计与 实现 1 5 7 抛光加工流程基本相同，但粗磨较为复杂一些 ，下面 以粗磨为例介绍一下水晶研磨机的自动加工流程。 图 4水晶研磨机调试流程图 水晶研磨机粗磨工序的加工流程如图 5 所示。升 降杆、摆角和转面的速度由输入步进电机驱动器的脉 冲频率控制 ，升降杆的升降距离 、摆角和面转角的大 小 由脉冲数 控制 ，脉 冲频率 和脉 冲数 可 以根据 设备 的 实际情 况在 人机界 面 中设定 ，具 有重 复可操 作 性 。可 根 据人 机界 面 中输 入的 摆角 或面 转角 的值 ，在 程序 中 进行运算 ，转化为步进电机所需要的脉冲数 。其计算 公 式如下 r 一 、 N 脉冲数一 旦 2 0 0 。 ⋯ ⋯ 1 其 中 ， 为第 行 第 个 面的 面角度 值 ； ⋯一 为第 行第 一1 个 面 的面角 度值 ； a为两相 步进 电机驱 动 器的细分数； 为行k h ／ 铝排比，当计算摆角时， 为 行比，当计算面转角时， 为铝排 比。 本 系 统 采 用 的 是 P L C 梯 形 图顺 序 编 程 的 方 法 _ 4 ] 。通过 式 1 计算 出水 晶珠旋 转 一定 角度所 需要 的脉冲数，用 MOV传送指令分别将脉冲频率、脉冲 数 、加减速 时间存 入相 应 的数据 寄存 器 ，再 用 带加减 速 的单 向脉 冲输 出指令 P I S R，配合 方 向控制 信 号来 控制步进 电机的转速、转距及转 向。带加减速的单向 脉冲输 出指令 形式 如 图 6 所 示 。 其 中 ， S 1 为最 高频 率 ， S 2为输出脉冲数 ， S 3为加减速时间， D为输出脉冲的 端 口。 5结束 语 此控 制 系统 已经 成功 应用 于水 晶研 磨机 ，并 能稳 定运 行 ，步进 电机无 抖动 和失 步现 象发 生 ，人 机界 面 简单直观 ，操作方便 。此控制系统能对不同工艺要求 的水 晶珠进 行加 工 ， 并 通过 人机 界 面设定 工艺参 数 ， 实 现对研磨深度及水晶珠摆角和面转角的准确控制，提 高了生产效率， 在水晶加工行业具有广泛的应用前景 。 图5 水晶研磨机粗磨工序加工流程图 下转 第 1 6 0页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 6 O 机 械 工 程 与自 动 化 2 0 1 0年第 5 期 在本 设计 系统 中 ，上位 机 P C通过 MC G S组态 软 件设计 的检测系统向下位机 P L C发出操作指令 ， P I C 接收 MC GS系统的操作指令后 ，直接控制总成检测 台。P I C与 P C通过其专用的接 口 R S 2 3 2来连接通 信 。 3 总结 本文研究了基 于 P C与 P I C的全液压转 向器检 测台电气 自动化控制系统 ，重点设计了检测方案 ，该 检测 系 统 主 要用 于全 液 压 转 向器 总成 的质 量 检 验 测 试 ，也 可用于控 制 阀的质量检 验 。 参考 文献 [1 ] 雷 天觉． 液压 工 程 手册 E M] ． 北 京 机 械 工业 出版 社 ， 19 9 O． [ 2 ] 赵燕 ， 周新建． 可编程控制 器原 理及应用 [ M] ． 北京 中 国 林业 出版社 ， 北京大学 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 3 ] 汪 志锋． 工 程 组 态软 件 [ M] ． 北京 电 子工 业 出 版社 ， 20 07 ． [ 4 ] 钟肇新， 范建东． 可编程控制器原理及应用 [ M] ． 第 3 版． 广州 华南理工大学 出版 社 ， 2 0 0 3 ． Au t o m a t i c S y s t e m o f Fu l l Hy dr a u l i c St e e r i ng’ S De t e c t i o n De v i c e Ba s e d o n PC a n d PLC DAI W e n we n ，LI U Ai b o 。W U Pe ng 1 Yi n g t a nDe t a c h me n t o f j i a ng x i Pr o v i n c ePu b l i c S e c u r i t yFi r eCo r ps ， Yi n g t a n 3 3 5 0 0 0 ， Ch i n a； 2 ．Ea s t Ch i n a J i a o t o n gUn i v e r s i t y， Na n c h a n g 3 3 0 0 1 3， Chi n a Ab s t r a c t Fu l l h y d r a u l i c s t e e r i n g h a s ma n y b e n e f i t s s u c h a s s i mp l e s t r u c t u r e ， f l e x i b l e s t e e r i n g a b i l i t y，c o n v e n i e n t i n s t a l l a t i o n， t h e r e f o r e i t ha s be e n wi de l y us ed i n t he f i el d o f s t e e r i n g s y s t e ms ． I n v i e w o f f ul l hy dr a u l i c s t e e r i n g ha v i ng gr e a t i n f l ue nc e on t h e wh o l e wo r k， t h i s p a p e r d e v e l o p e d a d e t e c t i o n d e v i c e f o r f u l l h y d r a u l i c s t e e r i n g s y s t e ms ． Th e d e s i g n u s e d t h e PL C o f M i t s u b i s h i FX2 N a s t h e c e nt r e o f t h e c ont r ol s y s t e m a nd t he i ndu s t r i a l c on f i g ur a t i on s of t wa r e o f MCGS t o d e a l wi t h t he da t a of PLC． The d et e c t i ng s y s t e m h as t h e c ha r ac t e r i s t i c s o f s t r ong t e s t pu r p o s e a nd s ho r t t e s t c y c l e． Ke y wor d s f ul l hy dr a u l i c s t e e r i n g s y s t e m ；de t e c t i o n d e vi c e； PLC c on t r o l ； M CGS c onf i g ur a t i o n s o f t wa r e m ’ ’ ， ● ， mm’ mmm， ’ ’ ， l ， l mm， l ’ l l m， l ’ l ， ’ ， mm’ ’ ， m， ， l ’ ’ 上 接第 1 5 7页 图 6带加 减速 的单 向脉冲输出指令 参考文献 [ 1 ] 王玉德 ， 刘景斌 ， 韩翠玲 ， 等． 基于 P L C的步进 电机的驱动 控制[ J ] ． 机 电一体化 ， 2 0 0 8 7 1 2 ． [ 2 ] Mo r r i s s S B r i a n ． 可编程逻辑 控制器 [ M] ． 杨智 ， 王 琅， 朱 海锋 ， 译． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 3 ] 罗伟， 邓木生． P L C与电气控制 [ M] ． 北京 中国电力 出版 社 ， 2 0 0 9 ． [ 4 3 宋伯 生． P L C编程理论、 算法及技巧 [ M] ． 北京 机械工业 出版社， 2 0 0 5 ． [ 5 ] 宋伯生． P L C编程实用指南[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 05 ． De s i g n a nd Re a l i z a t i o n o f PLC b a s e d Co nt r o l S y s t e m f o r Cr y s t a l Gr i n di n g M a c h i ne LI U Tao，LI U M a n da n S c h o o l o f I n f o r ma t ion S c i e nc e a n d En g i n e e r i n g，Ea s t Ch i n a Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y，S ha n g h a i 2 0 02 3 7，Ch i n a Ab s t r a c t Th e d e s i g n a n d r e a l i z a t i o n o f c r y s t a l g r i n d i n g ma c h i n e c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n THI NGET XC3 s e r i e s PL C a n d To u c h W i n ma n ma c h i n e i n t e r f a c e i s i n t r o d u c e d i n t h i s p a p e r ． P r o c e s s i n g p a r a me t e r s c a n b e s e t b y ma n ma c h i n e i n t e r f a c e，i n c l u d i n g p r o c e s s i n g t i m e ， f r e q u e n c y a n d a n g l e p a r a me t e r s ．An g l e p a r a me t e r s c a n b e t r a n s f o r me d t o t h e p u l s e s t h r o u g h o n l i n e c a l c u l a t i o n b y PL C． Th e r e s u l t i s s e n t t o t h e s t e p p e r mo t o r d r i v e r wh i c h ma k e s t h e s t e p p e r mo t o r r u n wi t h t h e s e t p a r a me t e r s ． Ke y w o r d s e r y s t a 1 g r i n d i n g ma c h i n e；P LC；s t e p p e r mo t o r 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m