全自动等离子切割机的控制系统的实现.docx

全自动等离子切割机的控制系统的实现许鹏程，王海祥，李一如( 金陵科技学院 机电工程学院，江苏 南京211169)摘要: 简单介绍了等离子切割工艺和工作流程以及伺服系统定位过程，结合 plc、em253 与伺服驱动连接图以及 i / o 分配表，分析了软件控制部分的软件流程，给出了关键程序实例，展示了等 离子切割机控制系统的模拟实验的结果。通过实验证明控制系统能够实现圆形、圆弧、定长线段 等复杂图形的高精度自动切割，误差较小。关键词: plc; 等离子切割; 伺服系统定位; 模拟实验; 精确度中图分类号: tg483文献标识码 a:文章编号: 1672 1616( 2012) 23 0061 0611 1技术背景等离子切割机功能简介文献1总结了数控等离子切割机的特点，指1 2等离子切割切割头工艺原理安装在 z 轴上的是等离子切割机的切割嘴，它沿着 z 轴上下运动，实现远离或靠近工件。等离子电弧的引入有效地提高了切具的速度、 准确 性，并增加了切割种类，可应用于多种金属。 当等离子切割机工作时，通过一个狭小的管道送出 压缩气体( 通常为 氮 气、氩 气 或 氧 气) 。管 道 的 中 间放置有负电极，在给负电极供电并让喷嘴口接触 金属时，就形成了导通的回路，电极与金属之间就 会产生高能量的电火花。惰性气体流过管道时电 火花即对气 体 加 热，直至其达到物质的第四种状 态等离子态。这一过程产生了一束等离子体 流，温度高达约 16 649 ，流速高达约 6 096m / s，从 而实现对金属材料的加工，完成图形切割。文献2通过分析我国的数控切割机的现状 和市场需求以及今后的发展趋势，得出了市场需求 仍将以数控等离子切割机为主的结论，但并没有提 及实际加工工艺及流程。出了在加工 过 程中正确选择切割的起点、切 割 方向、切割顺序、切割速度等工艺参数的重要性，但是 却缺少对如何加工圆弧、圆图形的论述。等离子切割机控制系统主要用于板料的自动 加工。控制系统能实现点动操作，能实现圆形、圆 弧、定长线段等图形的自动切割。该系统能实现起 动、停止、暂停、参数输入、实时显示等功能，用户可 以在触摸屏选择三角形、矩形、五边形、六边形、等 长、圆弧、圆等图形进行切割。图 1 所示为等离子 切割机三视图。2硬件部分运 动 控 制 系 统 由 西 门 子型s7 200cpu226dc / dc / dc 晶体管输出型可编程控制器、伺服电机及伺服驱动器、丝杆移动滑杆、工作台等 构成，通过西 门 子 触 摸 屏 tp177a 经 rs485 通 信， 用户将通过可视化界面输入到输入外部变量，在处 理后传送到 plc 中，通过 plc 控制伺服电机，使该 系统 能 够 通 过 x ，y ，z3 轴配合实现上下 、前 后 、左1 z 轴伺服电机; 2x 轴伺服电机; 3y 轴伺服电机;4工作台; 5丝杆; 6切割嘴图 1 等离子切割机三视图收稿日期: 2012 10 15基金项目: 2012 江苏省高等学校大学生实践创新训练计划作者简介: 许鹏程( 1990 ) ，男，江苏盐城人，金陵科技学院本科生，专业方向为机电一体化。622012 年 12 月 中国制造业信息化 第 41 卷 第 23 期右运动，实现对特殊工件的加工要求。2 个高速脉冲输出口分别通过 q0 0，q0 1 实现对 x 轴、y 轴 的控制，扩展模块 em253 用于控制 z 轴运动。西门子 s7 200 型 plc 配有扩展模块 em253和控制 x 轴、y 轴的伺服驱动器( 本系统采用的伺7f) 。em253 控制 z 轴的伺服驱动器。控制 x，y，z轴的伺服驱动器分别连接着对应的伺服电机 ( 伺 服电机为东元伺服电机) ，伺服电机的光电编码器 将反馈的信号传到对应的伺服驱动器; 每个伺服电 机控制相应的丝杆、移动工作台和切割嘴的移动。 首先，对伺服驱动器进行设定，并设置好电子服驱 动器型号为东元 esda 15b cb 301c 2图 2 伺服系统控制图齿轮比，设定的脉冲输入形式要和软件设计向导一致。plc、em253 输 出 脉 冲 信 号、方向信号给伺服 驱动器。对伺服电机的控制主要通过位置环、速度环、电流环来实现，位置环不断地比较当前位置值与设定位置值，通过负反馈使丝杆最终停留在设定 的位置，位置调节器参数的大小通过 pid 调节器来调节; 速度环 不 断地比较当前的速度值与设定的 值，通过负反馈使速度达到设定值，速度控制器参数的大小通过 pid 调节; 电流环比较当前实际的电 流值与设定的电流值，差值经过 pid 调节后作为新的控制信号用于控制伺服电机。而工作台工作在位置控制模式下，比较编码器反馈回来的当前位置 值和设定的位置值，刚开始时，位置相差值最大，编码器反馈信号( 实际位置) 通过位置偏差计数器的 值调节速度 偏 差 放 大 器，后者的值调节电流放大 器，从而调整控制伺服电机，使得伺服电机高速转 动，随着编码器反馈回来的脉冲数值的增大( 与设定值比较) ，最终使得工作位置停在指定位置。向信号( sign ) 和脉冲数量的驱动信号，使 电 机 运转，联轴器带动模块式电动直线驱动系统进行自动 定位。在图 3 中，i0 0 用来起动系统工作; i0 1 用来停止系统工作; i0 3，i0 4，i0 5 分别连接 x 轴选、y 轴 选、z 轴 选，i0 7，i1 2 分 别 连 接 x，y 轴 参 考 点。i1 0，i1 1 分别为 x 轴的 + 、 限位; i1 3，i1 4 分别 为 y 轴的 + 、 限位; em253 上的 lmt + 、lmt 分别为 z 轴的 + 、 限位，确定伺服电机正反向运动的 极限，防止运动过限造成机械损坏。将 q0 0，q0 1分别与控制 x，y 轴伺服驱动的 pulse 信号相连，用于控制运动的长度; 将 q0 2，q0 3 分别与控制 x，y轴伺服驱动的 sign 信号相连，用于控制伺服电机运 动的方向; 将 q0 4，q0 5 分别与控制 x，y 轴伺服驱动 on / off 端相连，用于控制 x，y 轴使能。2 2扩展模块 em253 与伺服驱动器本系统 有“5 个数字量输入点 ”( stp，停 止;rps，参考点开关; zp，零脉冲信号; lmt + ，正反向硬极 限 位 置 开 关; lmt ，负 方向硬极限位置开 2 1plc 与伺服驱动器本系统采用的伺服驱动器型号为 esda 15b 关) ，“6 个数字量输出点”(dis、clr、p0 + 、p0 、p1 + 、p1 ) ，用于 s7 200 plc 定位控制系统中。扩展模块 em253 通过产生高速脉冲来实现对伺服 电机开环速度、位置的控制; 通过 s7 200 plc 的 扩展接口，实现与 cpu 间的通讯 控 制。该 伺 服 驱 动系统能支持多种工作方式: 绝对方式、相对方式、 手动方式，能够提供连续的位置控制，最多可以支 持 25 个位置点的控制。扩展模块 em253 的 p0、p1 连接 z 轴的伺服驱 动器，用于控制伺服电机的运动方向; 扩 展 模 块cb 301 c 2 7f。伺服通过自身带有的 cn1 端口与plc 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 cn1、cn2 端口设有多个输入 输出端子，通过对这些端子的引用，可以实现对伺 服电机的速度、正反转、给定距离、定位反馈以及故 障信号等参数的控制。伺服驱动器的工作原理是 接收 plc 控制程序输出的脉冲信号 ( 包括自动信 号、手动信号、极 限 信 号、原 点 信 号 等) ，并 把 此 信 号转换为控制伺服电机定子绕组依次开关频率、方机电一体化与数控技术许鹏程 王海祥 李一如 全自动等离子切割机的控制63em253 的 rps 输入，为 z 轴提供 参 考 点，lmt + 、lmt 分别提供 z 轴的正、负限位。图 3 plc 与伺服驱动器重要部分连接图图 5 所示。2 3i / o 分配表等离子切割控制系统中各元件对应的地址和功能见表 1 和表 2，其中表 1 描述 plc 输入信号， 表 2 描述 plc 输出信号。表 1plc 输入信号元件地址功能sb1sb2sa1sb3sb4sb5es1sq 1sq 3sq1sq2sq 2sq3sq4sb6sb7sq5i0 0i0 1i0 2i0 3i0 4i0 5i0 6i0 7rps i1 0i1 1i1 2i1 3i1 4i2 0i2 1lmt +起动按钮停止按钮 手动 / 自动x 轴选y 轴选z 轴选 急停按钮x 轴参考点z 轴参考点x 轴 + 限位 x 轴 限位 y 轴参考点y 轴 + 限位y 轴 限位 轴 + 方向轴 方向z 轴 + 限位图 4em253 与伺服驱动器连接图表 2plc 输出信号元件地址功能pulse1pulse2dir1dir2en1d2en2en3km1km2d1q0 0q0 1q0 2q0 3q0 4q2 1q0 5q0 6q1 0q1 1q2 0x 轴脉冲y 轴脉冲 x 轴方向 y 轴方向 x 轴使能轴 方向灯y 轴使能 z 轴使能 主轴正转 主轴反转轴 + 方向灯 sq6 lmt z 轴 限位33 1软件部分执行切割控制系统流程图根据现场生产工艺，设计的控制系统流程图如 d3 q2 2 功能指示灯642012 年 12 月 中国制造业信息化 第 41 卷 第 23 期r，然后根据圆弧切割计算法无限分割的思想 ( 实际操作过程中用折线来替代圆弧) ，利用编程实现 画圆。图 8 切割圆参数输入界面以第象限逆圆为例，设刀具沿圆弧移动，半 径为 r，p 为动点( 如图 9 所示) ，圆的算法: 设圆的 圆心坐标为( a，b) ，半径为 r，取 = 2 / n( n 是可 以调整的，即均等分割圆的份数) ，对 于 y 方 向 而图 5 执行切割控制系统流程图触摸屏可视化人机界面流程界面操作步骤:第一步，首先打开切割图形选择界面，如 图 63 2所示。言，y1= rsin ，y2= y1 y0= y2 y1 = rsin2 rsin ，yi= yi yi 1= rsinirsin( i 1) ，同理，xirsin( i 1) 。= xi xi 1= rsin i 图 6 切割图形选择界面第二步，用户选择切割形状，这里以选择圆为图 9 圆弧切割图然后通过递归的方法，每次在 y 轴上移动 y， x 轴上移动 x，当第一次动作完成后立即进行下 一次运动，找到下一点的坐标，直至圆画完整。例。第三步，点 击“圆”，进 入 圆 形参数设置画面 ( 如图 7 所 示) ，设 定 半 径、半 径 坐 标 ( 对 应 于 图 7中的“x 轴坐标”和“y 轴坐标”) 和切割数目。3 53 4关键控制程序依照下列步骤逐步编写网络程序。第一步，网络 1，如图 10 所示，x 轴速度设置。 设置起停速度 25 000 脉冲 / s、最大速度 50 000 脉 冲 / s、加速时间 0 5s，正向限位信号 v0 0，反向限 位信号 v0 1。图 7 圆形参数设置画面第四步，用户 将 设 定 参 数 ( 如 图 8 所 示) 通 过可视化界面输入到触摸屏中，继而传送到 plc 中， 通过 plc 控制伺服电机，执行相关指令。图 10 网络 1第二步，网络 2，如图 11 所示，将工 程 量 转 化 为脉冲数。vd140 接收控制面板的长度对话框中 输入的工程量，将 vd140 接收的工程量输出转化 3 3画圆程序算法设计控制思想: 首先，定位圆心 ( a，b) ，再确定机电一体化与数控技术许鹏程 王海祥 李一如 全自动等离子切割机的控制65为脉冲输出 vd8。图 17 网络 8第九步，网络 9，如图 18 所示，y 轴设置。设 置起 停 速 度 vd24 ( 脉 冲 / s) 、最 大 速 度 50 000 脉 冲 / s、加速时间 0 5s，正向限位信号 v0 0，反向限 位信号 v0 1。图 11 网络 2第三步，网络 3，如图 12 所示，相对 当 前 运 动 定位。num pulses 相对运动脉冲数 vd8，velocity相对运动的速度 25 000 脉冲 / s，direction 为相对运动的方向 v120 0。图 18 网络 9第十步，网络 10，如图 19 所示，y 轴的相对定 位。num pulses 相 对 运 动 脉 冲 数 vd12，velocity图 12 网络 3第四步，网络 4，如图 13 所示，q0 4 表示 x 轴 使能。相对运动的速度 vd24，direction 为相对 运 动 的 方向 v120 0。图 13 网络 4第五步，网络 5，如 图 14 所 示，将 y 轴 的 工 程 量 vd144 输入量转化为脉冲量 vd12。图 19 网络 10第十一步，网络 11，如图 20 所示，y 轴使能，用 于开启 y 轴伺服驱动器伺服开启。图 14 网络 5第六步，网络 6，如图 15 所示，求出 y / x，求得 速度比 vd16。图 20 网络 11第十二步，网络 12，如图 21 所示，用上一次完 成的 v129 0 的 done 的信号来驱动下一次的运动。 num pulses 相对运动脉冲数 vd20，velocity 相对运动速度 25 000 脉冲 / s，direction 为相对运动的方向 v120 0。图 15 网络 6第七步，网络 7，如 图 16 所 示，求 出 y 的 速 度vd20。图 21 网络 12第十三步，网络 13，如图 22 所示，用来对切割 数目的计数 vw10。图 16 网络 7第八步，网络 8，如图 17 所示，对上 面 的 数 值vd20 求整得 vd24。662012 年 12 月 中国制造业信息化 第 41 卷 第 23 期实验模拟系统中，用实验室三轴自由度运动平台来模拟实验，用铅笔替代安装在 z 轴 上 的 等 离 子切割嘴，此外控制平台的运动也有所差异。从实 验图可以看出，圆边带有毛刺，但整体画圆效果较 好。图 22 网络 134实验模拟实验系统如图 23 和图 24 所示。5结束语模拟实验证明，该系统具有结构简单、控制灵活、响应快速、定位精准的特点，可完成圆形、三角形以及四边形等复杂图形的高精度自动切割。通 过对全自动等离子切割机控制系统的研究，可以发 现伺服系统控制较之手动控制具有精确度高、运行 平稳、适应性强、人机界面友好等诸多优点。数控 等离子切割机切割质量与刀具切割速度和所选择 板材的材质有着密切的关系，为了取得更好的切割 效果，对切割速度、板材选择和计算还有待做进一 步研究。图 23 三轴控制实验平台图参考文献:1孙凌翔，陈世和，李劲松 数控等离子切割机切割件的变形控制j 电焊机，2007，37( 1) : 63 64陈 洁，郑 鹏 数控等离子切割技术及其应用j 新技术 新工艺，2009，31( 2) : 80 82常斗南 plc 运动控制实例及解析m 北京: 机械工业出版 社，2009: 10 15西门子公司 s7 200 和 sinamics v80 实现点到点位置控 制eb / ol ( 2010 01 01 ) http: / / www ad siemenscom cn / download / onlinereading aspx? docid = 3161西门子公司 s7 200 可编程序控制器系 统 手 册eb / ol( 2008 08 01) http: / / www ad siemens com cn / download /docmessage aspx? id = 1822loginid = srno = sendtime = 2345图 24 交流伺服系统接线图the development of control system for automatic plasma cutting machinexu peng chen