基于PLC的折弯机自动控制系统的研制.pdf

2 0 1 3年 2月 第 4 2卷 第2期 机械设计与制造工程 Ma c h i n e D e s i g n a n d Ma n u f a c t u r i n g E n g i n e e ri n g Fe b ． 2 01 3 Vo 1 ． 42 No． 2 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 2 0 9 5 5 0 9 X ． 2 0 1 3 ． 0 2 ． 0 1 4 基于 P L C的折弯机 自动控 制 系统 的研 制 鞠青辰 ， 王海祥， 梁雅婷， 王鹏飞 金陵科技学院 机 电工程系， 江苏 南京2 1 1 1 6 9 摘要 为提高伺服 电机的定位精准性 ， 充分利 用了 P L C作为逻辑控制 器可靠性 高的特点， 设计 了 一 种能够精确控制折弯角度的折 弯机控制系统。介绍了折弯机的工作原理 ， 提 出了基 于 P L C 、 伺 服 系统、 文本显示器的控制系统的解决方案。详细阐述 了折弯机的工作流程， 给 出了硬件接线原 理图以及折 弯机控制 系统的算法。通过一个程序 实例 ， 进行 了折 弯机 的 自动控制 系统的模拟 实 验。实验结果表 明， 设计满足 了系统的要求。 关键 词 折 弯机 ； P L C； 伺服 电机 ； E M 2 5 3； 文本 显示 器 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码 A 文章编号 2 0 9 5 5 0 9 X 2 0 1 3 0 2 0 0 5 20 6 折弯机在包括飞机、 船舶 、 铁塔 、 集装箱以及家用 电器、 建筑构件 、 金属橱柜等行业得到广泛应用。工 件的加工质量主要体现在角度及直线精度上， 而折弯 机的折弯精度是决定板件折弯质量的首要因素。 ⋯ 目前 ， 液压型折弯机数控系统在国内占据着绝 对的优势 ， 但该 系统具有易污染环境 、 液压缸响应 慢 、 生产效率低 、 结构较为复杂 、 维修成本较高等缺 点 ， 且 自2 0世纪 8 0年代 以来再无重大技术改进 。 基于单片机的折弯机控制器性价 比较高， 但其抗干 扰能力较弱 ， 在较为恶劣 的工作环境下对折弯精度 有一定的影响； 基于嵌入式技术 的数控系统 ， 控制 精度高 ， 系统稳定可靠 ， 但其开发周期长， 对软硬件 技术要求较高； 基于伺服电机直接驱动的折弯机数 控技术是一门新兴的技术 ， 更加适合现代工业技术 的发展 。 本系统采 用 西 门子 公 司型 号 为 s 7 _2 0 0的 P L C和型号为 T D 4 0 0 C的文本显示器共 同控制伺 服电机。系统机械结构组成简单 ， 响应速度快 ， 抗 干扰能力强， 折弯精度高 ， 软件程序可读性高 ， 可移 植性强， 文本显示器可以为系统提供 良好的人机交 互界面， 弥补了其他类型折弯机的不足 ， 能更好地 完成用户的任务 。 1 折弯机的工作 1 ． 1 流程 分析 根据用户需求 和机械要求 ， 设 计折 弯流程如 度、 折弯次数等变量之后， 随即按下 轴启动按钮， 轴将会运 动到设定 的位置。 然后 ， 用户再按下 z 轴启动按钮 ， z轴将会 以设定的速度运动到设定的 距离 ， 完成一次折弯操作 。 一次折弯完成后 ， 迅速上 物料。 当设定的间隔时间到后 ， z轴 回到零点位置， 进行第二次折弯操作 ， 与第一次相 同。如此循环运 动 ， 直到达到用户设定的折弯次数 。 1 ． 2折弯机的机械结构 设计折弯机的机械结构组成如图 1所示。折 弯机所做 的运动是二维的运动 ， 分为 轴和 z轴 ， 由伺服 电机控制的 轴负责物料后档板的水平运 动 ， z轴负责其垂直方向的运动。 图 1 机械 结构组成 2 折弯机系统设计 2 ． 1 系统 结构 组成 根据工艺和用户需求 ， 设计此系统 由 P L C、 伺 服系统 、 E M2 5 3 定位模块和文本显示器组成 ， 如图 收稿 日期 2 0 1 2一l O一2 6 作者简介 鞠青辰 1 9 9 1 一 ， 男， 江苏泰兴人， 金陵科技学院本科生， 主要研究方向为电气工程及其 自 动化。 5 2 2 0 1 3年第 2期 鞠青辰， 等 基于 P L C的折弯机自动控制系统的研制 2所示 。 图 2 系统结构 图 2 ． 2控 制 器的选 用 根据系统 自动控制 的要求 ， 采用型号为 s 7 2 0 0的P L C 。S 7 2 0 0 系列是一种可编程序逻辑控 制器 M i c r o P L C ， 它能够控制各种设备以满足自 动化控制需求。s 7 0 0的用户程序 中包括 了位 逻辑 、 计数器 、 定时器 、 复杂数学运算 以及与其他智 能模块通讯等指令 内容 ， 从而使它能够监视输入状 态 、 改变输出状态 ， 以达到控制 目的 J 。 2 ． 3伺服 驱 动 器的选 用 根据系统 驱动 电机 的需要 ， 采 用伺 服驱动器 E S D A 1 5 BC B 3 0 1 C 2 7 F 。伺服驱动器通过 自身 带有的 C N I 端 口与 P L C系统 中的伺服控制单元连 接， 相互传送信号。伺服驱动器带有的 C N I 、 C N 2 端 口设有多个输入输出端子 ， 通过对这些端子的引 用 ， 可 以对伺服 电机的速度 、 正反转 、 给定距离 、 定 位反馈 以及故障信号等参数进行控制。 2 ． 4定位模 块 的选 用 根据系统定位精度的需要， 采用 E M 2 5 3位控 模块。E M2 5 3集成有 5个数 字量输 入点 S T P， 停 止； R P S ， 参考点开关； Z P ， 零脉冲信号； L M T， 正 方向硬极限位置开关 ； L MT一， 负方 向硬极限位置 开关 和 6个数 字量输出点 4个信号 D I S ， C L R， P 0 ， P 1 ， 或者 P o、 P 0一、 P 1、 P 1一 ， 用 于 s 7 2 0 0的 P L C定位控制系统中 j 。 2 ． 5文本显示器简介 ’ 由于输入界面较为简单 ， 所 以采用低成本的人 机界面 HMI T D 4 0 0 C文本显示器 ， 使操作员 或用户能够与应用程序进行交互 。此系统的用户 界面如图 3所示。 图 3 用户界 面 2 ． 6硬件 设计 轴伺服系统与 P L C的硬件接线图如图4所 不 。 [ _ 置 伺 服脉 j r f 『信 0 言 ⑤ ④ ④ 。 日 服 方向信 号． S I GN ④ ④ 。 轴使能 ⑧ oN ／ o F F ④ ④ ④ ④ ④ ④ ⋯ ‘ ⋯ 0 ④ ，， ‘ 一 ④ ⋯ ⋯ ④ ④ nI 、 、。 ’ 一 一 nt ⋯ 0 u ④ 9 ④ 0 ④ ④ 0 0 0 0 一 ④ } J ④ ⑧ 厶 ④ 兰 ④ ． I ④ 、 J r 0 一 ④ ④ ④ ④ J 匕 固 至 一 - 厂] ． ‘一 图4 X轴伺服 系统与 P L C的硬 件接线 图 z轴伺服系统与 E M2 5 3的硬件接线图如图 5所示。 53 2 0 1 3年第 4 2卷 机械设计与制造工程 E M2 5 3的 L M T和 L M T一分别提供 z轴的正 限位和负限位信号 ， R P S提供 z轴的参考点信号。 z轴 负I 付 z轴 【 化 P 0 将脉冲信号传送给 z轴伺服驱动器的 P U L S E ， P 1 将方向信号传送给z 轴伺服驱动器的S I G N， ⑧ 王 ⑧ ⑧ 王 ⑧ l-一 ⑧ ⑧ ⑧ 互 ⑧ ⑧ 王 们服驱动 ． ， ． ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ．． ．． ．． ．． ． 卜 一．． L 0 Jl ,k PuLSE ⑧ 王 ij“ lbJ S IG N ＼ 、r ／ ⑧ N z 轴 使 能 0 ⑤ o F F ／ O N ⑧ 王 n 一 ⑧ r _ 一 ] 、 、 一 ． 兰 矧 叫 l D I S传递 的是 z轴使能信号 。 输入 、 输出触点列表见表 1 。 图 5 Z轴伺服 系统与 E M2 5 3的硬 件接 线 图 表 1 输入 、 输 出触点列表 符 号地址 功能 符号 地址 功能 S B I 1 0 ． 0 Z轴启动按钮 S Q 4 I 2 ． 2 Z轴 限位开关 S B 2 1 0 1 停止按钮 P U L S E Q o ． 0 伺服脉冲信号 S B 3 1 0 ． 3 轴选按钮 S I GN Q o ． 2 伺服方 向信号 S B 4 1 0 ． 5 z轴选按钮 ON ／ O F F Q o ． 4 轴使 能 S B 5 1 0 ． 6 急停按钮 O N ／ O F F Q o ． 6 z轴使 能 S QI 1 0 ． 7 X轴参考点 Dl Q 1 ． 2 启动指示灯 S Q 2 I I ． 0 X轴正限位 D 2 Q1 ． 3 停止指示灯 S Q 3 1 1 ． 1 轴负限位 D 3 QI ． 4 X轴选灯 S B 6 I 2 ． 0 X轴正转 D 4 Q1 ． 6 Z轴选灯 S B 7 1 2 ． 1 轴反转 D 5 Q1 ． 7 报警 指示灯 3 折弯机系统的核心算法设计 在物料折弯变形 的过程 中， z轴 的进深尺寸 决定 了折弯角度的精度 ， 因此进深尺寸的算法是折 弯机系统的核心算法。 进深尺寸计算原理图如图 6 所示 。 图中 A为编程角度 ， 为下模角度 ， 为 下模开 口宽度 ， 为折弯后的内圆弧半径 ， h为进 深。 另外 ， 设板材厚度为t 。 根据平面几何原理 ，可 得 T ， H g- ／ t a n I I 1 5 4 JIl 一 f ／ s i n 一尺 2 图6 进 深尺寸计算原理 图 这里， 为了计算方便， 忽略板材的厚度 t ， 因而 折弯后的内圆弧半径 R也可忽略。当然 ， 可以不考 虑物料在折弯过程中的回弹 ， 即不考虑因物料材质 的不同而产生的形变。 因此 ， 公式 2 可简化为 h ／ t a n 3 二 二 另外 ， 的长度是 固定 的 ， 设 此折 弯系统 中 V2 c m， 则公式 2 又可简化为 a h1 ／ t a n 4 t 4 折弯机系统的程序设计 4 ． 1 软件 设计 流程 设计好的系统工作流程图如图 7所示。 4 ． 2 程序 实例及相应的程序代码 设下模开口宽度 为2 c m， 物料折弯点长度为 1 0 ． 0 m m， 折弯角度为9 0 。 ， 物料数量为1 0 件， 要求 2 0 1 3年第 2期 鞠青辰 基于 P L C的折弯机 自动控制系统的研制 ● ’ 从艾 本 永器上 滇取物料} 乏 度、 折弯角 度、 折弯次 数I I 按 F 肘m 肩动按钮l I 运动到设定 位簧 I I 按 F z 轴JI； { 动按钮I l执行折弯操作 I I z 车 自F 降触碰到行程开关l I 行程丌关发出信号 ，计数器汁 数 次I I完成 折弯 操作 I ’ 图 7 系统工作流程 图 折弯机控制系统完成上述物料的加工 。 设计的折弯机程序代码如下所示 网络 1 速度设置 设置起停速度 、 最大速度 、 加速时间。 LD SM0． 0 C A L L Q o 一 0一 C T R L S B R 2 0， 5 0 0 0， 5 0 0 0 0， 0 ． 5 ， V0． 0， V0．1， VD1 网络 2 设置停止位使能 。 L D S M0． O L 60． 0 L D 1 0． 1 L 63． 7 L D L 6 0． 0 C A L L Q O _ O S t o p S B R 2 2 ， L 6 3 ． 7 ， V1 2 9 ． 0 网络 3 将工 程量转化为脉 冲数， V D 1 4 0接收 面板 的长度 对话框中输入 的工程量 ， 单位 mm。 LD SM0． 0 CAL L S c a l e EU P u l s eS BR23，V1 2 0VD1 4 0， 3 o 0 O 0， 1 5 ． 0， VD 6 网络 4 将转换过的脉冲数 V D 6输入到函数中去， 并设置 伺服 电机运行时的速度大小 ， 设置方向位。 L D S M0 ． 0 I 6 0． 0 LD l 2． U L 6 3． 7 LD L 6 0． 0 C A L L Q o 一 0一M o v e R e l a t i v e S B R 2 4 ， 1 _ 6 3 ． 7 ， V D 6， 2 5 0 0 0， V1 2 0． 1， V1 2 9． 0 网络 5 设置 轴使能位。 L D S MO． 0 Q o ． 4 网络 6 设置伺服电机反 向运行位 。 LD I 2． 1 V1 2 0． 1 网络 7 设置停止位。 LD S M0． 0 L6 0． 0 LDN 1 0． 1 L 6 3． 7 LD L 60． 0 CALL POsl CTRL S BR7， L 6 3． 7， M I O． 0， M B1 2， MD1 4， MD1 8， M 1 0． 0 网络 8 将用户输入的角度变量转化为弧度变量。 L D 1 0． O MOVR VD2 0 0． VD21 0 水R 0． 01 7 4 53 2 9， VD21 0 网络 9 将弧度变量除以 2 ． 0 。 L D 1 0． 0 MOVR VD21 0． VD22 0 ／R 2． 0．VD2 2 0 网络 1 0 计算出此弧度变量的正切值。 LD 1 0． O TAN VD22 0．VD2 3 0 网络 l l 计算 出 z轴需要下降的高度。 LD 1 0． 0 MOVR 1 ． 0．VD 2 4 0 ／R VD23 0．VD2 4O 网络 l 2 I 2 ． 2作为限位开关的模拟信号。 将限位开关的信号给计数器， 并设置计数器清零的 外加手动触点 1 0 ． 1 ， V W3 0 0接收面板的对话框中 5 5 2 0 1 3年第4 2卷 机械设计与制造工程 输入的折弯次数 。 LD I 2． 2 LD I O． 1 C T U C O．VW3 0 0 网络 l 3 I 2 ． 2 作为限位开关的模拟信号。 给出 G O T O指令的触发信号的触点 ， 给出运动距离 的变量参数 V D 2 4 0 ， 设置运动速度 ， 运动模式 ， 以及 运动停止位。 LD S M0． 0 L 60． 0 L D 1 0． 0 0 I 2． 2 AN C0 L 6 3． 7 L D L 6O． O CALL P OSI GOTO SBR9，L 63． 7，VD2 4 0，1 ． O， l，1 0． 1，M1 0． 0，MB1 2，MD1 4，MD2 0 网络 1 4 当 M1 0 ． 0为 1时， 接通计时器 T 3 9 。 L D Ml 0． 0 T0N T3 9．2 0 网络 l 5 给出R S E E K指令的触发信号的触点。 L D S M0． 0 L 6 0． 0 LD T3 9 EU O I 1 ． 7 L 63 ． 7 LD L 6 0． 0 CA L L P OS I RS E EKS B R1 l ， L 6 3 ．7， MI ．1 ， MB 2 4 网络 1 6 设置 z轴使能位。 L D S M0． 0 Q o ． 6 网络 l 7 设置 z轴手动模式。 LD S MO． O L 6 0． 0 LDN S M0． 0 L 6 3． 7 L D I 2． 0 A 1 0． 5 5 6 L 6 3． 6 LD I 2． 1 A 1 0． 5 L 6 3． 5 L D L 60． O CALL POS1 一 MAN SBR8，L 6 3． 7，L 63． 6，L 63． 5， 2 0． 0，I 1 0． 0，MBI 4，MD1 4，MD1 8，M 1 0． 0 4 ． 3模 拟 实验 结论 经调试及实验后 ， 将程序代码下载到 P L C中。 在文本显示器 中输入折弯点长度 1 0 ． 0 ram、 折弯角 度 9 0 。 、 折弯 l O次之后 ， 随即按下 轴启 动按钮 ， 轴能运动到 轴正方向 1 0 ． 0 mm处 。然后 ， 再按下 z轴启动按钮 ， z轴能按 照设定的速度运动 ， 完成 一 次折弯操作 ， 折弯角度为 9 0 。 。当设定 的间隔时 间到后， z轴能回到零点位置， 进行第二次折弯操 作 ， 如此循环运动 ， 最终达到折弯的次数 1 0次。 实验证明， 该系统 轴 、 z轴方向的移动距离 、 运动速度精确， 在不考虑物料材质的前提下 ， 折弯 角度能够达到 9 O 。 ， 文本显示器操作简便。该 系统 反应灵敏 ， 简单实用 ， 达到了预期的设计 目的。 5 结束语 本 文 设 计 的 折 弯 机 系 统 ， 以 西 门 子 S 7 2 0 0 P L C为控制器 ， 可以实现折弯机系统 的自动化 ， 伺服驱动和定位模块确保 了折弯的精确度 ， 以西门 子 T D 4 0 0 C文本显示器为人机界面 ， 让用户操作起 来更简便 。满 足了产 品质量 的要求 ，收到了 良好 的经济效益 ， 对其他折弯机系统的设计具有一定 的 参考意义。同时 ， 不同的折弯材料应设定不 同的折 弯参数， 为了取得更好的折弯效果， 参数的选择和 计算有待进一步研究。 参考文献 [ 1 ] 田万英 ， 高建和， 潘志华． 折弯机压力不均匀分布研究【 J ] ． 装 备 ， 2 0 1 l 6 4 44 7 ． [ 2 ] 林景山 ， 史 步海． 基于 P L C和触摸屏 的电动折 弯机控制 系统 研究[ J ] ． 锻压技术， 2 0 1 0 ， 3 5 5 9 3- 9 5 ． [ 3 ] 王淑英． 电气控制与P L C应用[ M] ． 北京 机械 【 二 业出版社， 2 0 0 5 9 61 0 3． [ 4 ] 李国屏． 淡P L C可编程控制器的原理和工业应用[ J ] ． 宁波 职业技术学院学报 ， 2 0 0 5 2 2 52 7 ． [ 5 ] 西门子公司． s 7 2 0 0可编程序控制器系统手册[ E B ／ O L ] ． 2 0 0 8 0 8 - 0 1 [ 2 0 1 2 1 01 0 ] ．h t t p ／ ／ w w w ． a d ． s i e m e n s ． c o rn．c n ／ d o wn l o a d ／d o c Me s s a g e ．a s p x I D 1 8 2 2 l o g i n I D ＆s m o＆s e n d t i me． [ 6 ] f J 子公司． 定位模块 E M 2 5 3 快速入门[ E B ／ O L ] ． 2 0 1 0 2 0 1 3年第 2期 鞠青辰， 等 基于 P L C的折弯机自动控制系统的研制 0 70 7 [ 2 0 1 2一l Ol 0 ] ．h t t p ／ ／ w w w ． a d ． s i e m e n s ． c o n． c n ／ d o wn l o a d ／ d o c Me s s a g e ．a s p x I D 1 2 3 9 l o g i n l D s r n o s e n d t i me ． [ 7 ] 白瑞林 ， 卢长龙， 胡军 山． 基 于改进 B P算法 的折弯机 核心算 法研究[ J ] ． 控制工程， 2 0 1 l ， l 8 1 6 7 7 0 ． De v e l o pme n t o f Aut o ma t i c PLC - ba s e d Co n t r o l S y s t e m f o r Be n d i n g M a c h i n e J U Q i n g c h e n ， WA N G Ha i x i a n g ， L I A N G Y a t i n g ， WA N G P e n g f e i J i n l i n g I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， J i a n g s u N a n j i n g ， 2 1 1 1 6 9 ， C h i n a Ab s t r ac t I n o r d e r t o i mp r o v e t h e p o s i t i o n i n g p r e c i s i o n o f s e r v o mo t o r ，i t d e v e l o p s a k i n d o f a c c u r a t e a n g l e b e n di n g ma c h i n e c o nt r o l s y s t e m b a s e d o n h i g h r e l i a b i l i t y o f P LC l o g i c c o n t r o l l e r ． I t i n t r o d uc e s t h e p r i n c i pl e o f b e n d i n g m a c h i n e ， p r o p o s e s t h e c o n t r o l s y s t e m p r o j e c t b a s e d o n P L C a n d s e v o s y s t e m a n d t e x t d i s p l a y ．I t s h o w s t h e b e n di n g p r o c e s s，h a n d wa r e p r i nc i p l e d i a g r a m a n d t h e a l g o r i t h m o f t h e c o n t r o l s y s t e m． Ta ki n g a n e x a mp l e， i t s i mul a t e s t h e c o n t r o l s y s t e m a n d v a r i f i e s t h a t t he s y s t e m me e t s t h e r e qu i r e me n t s o f t h e b a n di n g ma c hi ne ． Ke y wo r ds Be n d i n g Ma c h i n e；P LC；Se r v o Mo t o r；EM2 5 3；T e x t Di s p l a y ． 、寞 一生 一 一羹一 受一羹 一奠一套 一女 一 一受 一奠 一受 一垒 一 一寞 一 ～ 一奥一安 一寞 一寞 一寞 一套 一寞一套 一寞，套 一羹 寞 套 一 一套 一 寞 一套 一 一 、 尊 寞 一 ● ● 欢 迎 投 稿 机械设计与制造工程 杂志 原 中国制造业信息化 由东南大学主管、 东南大学出版 社主办、 出版， 是 中国科学引文数据库 来源期刊、 中国学术期刊综合评价数据库 来源期 刊、 中国期刊网 全文收录期刊、 中国学术期刊 光盘版 全文收录期刊。 投稿须知 文稿应有创新 ， 立论科学， 主题 明确， 论据充足， 层次清楚， 叙述要有条理 ， 文 字简练 ， 数据可靠， 图表清晰； 使用 国家法定计量单位。 稿件一些要素的规定 1 文章题 目应短小精悍， 对全文有点睛之效， 富有吸引力， 字数 在2 O字之 内； 2 文章摘要字数约 1 0 0～ 3 0 0字； 3 ． 投搞人需要提供所有作者的工作单位及 所在城市和邮编 特注 作者署名顺序以稿件上的顺序为准 ； 4 本刊要求作者提供稿件题 目、 作者、 作者单位、 摘要和关键词的英文。 插图应按现行制图标准绘制， 所有 图样 照片和绘制的插 图 的线条、 文字应清晰明了， 以便于本刊计算机处理和制版。其 中线条 图 如零件 图、 装配图、 剖面图、 流程图等 要求是 矢量图， 灰度 图精度不小于 8 0 0 d p i 。由于本刊技术论文是黑 白印刷， 故请尽量绘制黑 白图 样 ， 以保证 图样含义的准确表达。 投稿时， 以下信息必须如实准确填写 1 作者基本信息 本刊在处理稿件和 邮寄杂志 等方面都是和通讯作者联 系 ， 如联系方式有变化， 应及时通知本刊； 2 稿件题 目、 稿件英 文题 目、 中文摘要、 英文摘要、 中文关键词、 英文关键词 ； 3 中图分类号、 文献标识码。 来稿文责 自负， 请 自留底稿 ， 本刊不再退稿。依照 著作权法 有关规定， 本刊拥有删改 权 ， 如不同意请注明。 所有来稿本刊会尽快审阅和给予答复， 如果一个月 内收不到用稿通知则和本刊联 系确 认。无论是打印稿还是电子稿， 作者请在文稿后面注明自己的姓名、 工作单位、 详细联系地 址、 电话 包括手机 、 邮编等信息。 Em a i l 至 m i e v i p ． s i n a ． c o m或 j s j x z z 1 6 3 ． C O B。