基于PLC的自动焊接机升降控制系统设计.pdf

第29卷 第12期 武汉理工大学学报 信息与管理工程版 Vol 29 No 12 2007年12月 JOURNAL OFWUT I NFORMATI ON PLC 伺服驱动 中图法分类号 TP273 文献标志码 A 随着电子技术 计算机技术和自动控制技术 的不断发展 数控机床的数控系统也在不断更新 从第一代采用电子管构成的数控系统发展到今天 基于工业PC机的CNC系统 应用在焊接机上的 数控系统也在发展之中 1 到目前为止 已出现 了基于单片机的CNC系统 基于可编程控制器 PLC 的CNC系统 2 5 和基于工业控制计算机 工业 PC 的CNC系统 6 采用单片机开发的数 控焊接机成本低 但是单片机系统开放性差 软硬 件资源有限 并且机床操作不方便 人机界面不友 好 可编程控制器 PLC 在数控焊接机控制系 统 尤其是在半自动加工的焊接机控制系统中应 用广泛 其操作简单 实时性好 现场的适应力强 虽然PC机具有一系列较为完善和成熟的设计 加工及信号接口标准 拥有丰富的软硬件支持 性 能和可靠性不断提高 是开放式数控系统的首选 系统平台 但是PC机难以满足实时控制的要求 特别是强实时控制系统的要求 7 因此笔者根 据自动焊接机的功能和要求 采用PLC来实现系 统的控制 1 控制系统的硬件设计 1 1 控制系统的功能描述及结构框图 该控制系统本质上是一个位置随动系统 由 3个反馈控制环组成 内环是电流环 中间是速度 环 外层是位置环 速度环和位置环由PLC实现 数字控制 伺服驱动模块内包含一电流环 其保持 模拟调节以保证快速性 升降控制系统的硬件结 构框图如图1所示 图1 升降控制系统的硬件结构框图 该控制系统采用两级计算机控制 上位机由 计算机实现监控和编程 下位机由PLC实现对电 机的实时控制 上下位机之间通过串行通信实现 数据的传输 计算机作上位机 对系统实施参数 的给定和修改 控制程序的编写和修改 运行状态 和参数的监控等 PLC作为下位机 接收并执行控 制程序 对系统实现实时控制 同时将系统实际运 行参数上传到上位机 1 2 焊接机升降控制系统的功能要求 1 控制系统应能够完成自动加工 手动调 整 参数设置 状态监控和故障报警等功能 2 数控焊接机控制系统应具有示教功能 通 过示教 可以得到每种工件对应的工艺过程参数 3 在自动焊接过程中 如果发现某些工艺 过程参数需要修改 可以暂时停止焊接 切换到手 动调整模块进行参数调整 并将调整好的参数保 存 然后再切换到自动焊接模块 从暂时停止焊接 的位置按调整好的焊接参数继续进行焊接 4 点焊功能可以根据需要 在工件上进行 武汉理工大学学报 信息与管理工程版 2007年12月 手动点焊 5 状态监控功能控制系统具有对焊接过程 中各个限位开关 按钮和继电器等器件的工作状 态实时监控和显示功能 以便于工人对焊接机工 作状态能够有一个快速直观的了解 6 在焊接过程中 焊接参数具有可选性和 可调性 以使该控制系统能够适应不同车桥的焊 接生产 对于不同的车桥 只需做一些过程选择和 参数调整 而不用改变程序 7 控制系统应具有保护功能 如果焊接过 程中出现故障需要切断各电机的电源时 可以按 下急停按钮 但是此时计算机的电源未被切断 这 样通过界面可以了解故障原因 进而排除故障 1 3 伺服驱动模块 伺服部分由一个PWM模块和一个H全桥组 成 具有过压 过流等保护功能 P WM模块主要 由UC3637和TPS2811构成 H全桥选用N沟道 MOS管2SK1895和P沟道MOS管2SJ265构成 MOS管的栅极和源极之间加稳压二极管ZPD15 进行钳位来保护MOS管 H桥电路及电流反馈 电路如图2所示 图2中2个1 k 的电阻SI L5C和SI L5D从 H桥的桥臂反馈到UC3637的14脚 C L脚 起到限流保护作用 当流过功率MOS管的电流 超过额定值时 UC3637自动封锁输出 从而起到 保护MOS管的作用 图2 H桥电路及电流反馈电路 1 4 速度反馈电路 速度环由PLC实现数字控制 逆变桥产生 出来的PWM波的平均电压来控制直流电机的转 速 速度反馈电路就是把这个平均电压采集出来 送到PLC进行A D转换 误差分析和处理 然后 控制UC3637进行相应的逆变控制 进而达到精 确控制直流电机转速的目的 速度反馈电路如图 3所示 由图3可得速度反馈的输入输出关系并 带入数值 设 M M Ud 则Uv 0 268 3Ud Ki id 1 5 高度反馈电路 高度控制是在比较目标值和实际值的基础上 建立起来的 目标值由计算机给定 实际值由电 容式位移传感器检测得到 并送到PLC进行A D 转换 从而实现高度控制 2 控制系统的抗干扰措施 由于可编程控制器安装在机体当中 焊接机焊 接时产生的各种干扰会对PLC的正常运行产生严 重的影响 因此必须考虑PLC的抗干扰措施 431 第29卷 第12期 刘皓春 等 基于PLC的自动焊接机升降控制系统设计 图3 速度反馈电路 抗干扰措施如下 1 输入输出信号的电缆与强电的电缆都要 分开设置 不能扎在一起 2 必要时需选用带有屏蔽层的输入输出信 号电缆 并注意一端接地 3 多芯电缆中的备用芯线也要一端接地 一是扩大屏蔽作用 二是抑制芯线间的信号串扰 和外部干扰 4 为避免干扰 同一电平等级的信号才能 用一条多芯电缆传输 因此对数字信号和模拟信 号 在任何情况下都必须分开电缆进行传输 低 电平信号线应与其他信号线分开 尽量缩短模拟 量I O信号线的长度 并采用双芯屏蔽线作为信 号线 5 在设备现场 要充分考虑周围环境的影 响 尽量不要将PLC安装在多尘 有油烟 有导电 灰尘 有腐蚀性气体 振动 热源或潮湿的地方 8 3 结 论 该系统设计新颖 技术先进 具有很高的性能 价格比 采用机电一体化技术 适合国情 把PLC 作为焊接机升降控制系统的核心 极大地提高了 系统的可靠性 抗干扰措施的采用减少了焊接机 在焊接时产生的各种干扰对PLC正常运行产生 的影响 防止了程序的跑飞 保证了焊接机的正常 工作 实验证明 该控制系统性能稳定 焊接机焊 接精度高和抗干扰能力强 参考文献 1 张明亮 解旭辉 李圣怡 开放性数控技术的发展 J 机电工程 1999 4 65 67 2 鲜 斌 王 平 齐智平 CNC系统中的伺服控制卡 J 电气传动 2000 4 45 48 3 白建华 黄海峰 开放式CNC与现代运动控制技术 的发展 J 机电工程 2001 18 4 1 4 4 何涛勇 吴友宇 郭连波 双CAN控制器在整车显 示系统中的应用 J 武汉理工大学学报 信息与管 理工程版 2006 28 7 105 108 5 高 磊 基于CAN总线的风机工况监控系统设计 J 武汉理工大学学报 信息与管理工程版 2005 27 4 63 65 6 夏 田 文怀兴 魏康民 基于PC的开放式数控系 统体系结构的分析 J 航空制造技术 2002 12 62 63 7 鲁远栋 PLC机电控制系统应用设计技术 M 北 京 电子工业出版社 2006 8 卢金鼎 山静民 机电一体化技术 M 北京 中国 轻工业出版社 1996 下转第139页 531 第29卷 第12期 袁亚恒 等 基于VHDL的自动售货机设计 2 DOULOSA The designer s guide to VHDL EB OL 2007 06 06 http www doulos com know2 how vhdl designers guide 3 DOUGLASL P VHDL programming by example M New York McGraw Hill Professional 2002 4 阎 石 数字电子技术基础 M 4版 北京 高等教 育出版社 1998 5 王雯隽 基于Verilog HDL自动售货机的设计与实 现 J 微型电脑应用 2005 21 5 19 20 6 ZHANG W J VHDL tutorial learn by example EB OL 2007 06 06 http esd cs ucr edu labs tutorial 7 侯伯亨 VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计 M 陕西 西安电子科技大学出版社 1999 8 东方人华 MAX PLUS 入门与提高 M 北京 清华大学出版社 2004 Design on VHDL based Automat YUAN Yaheng ZHOU W ei Abstract The features and application of VHDL were introduced W ith examples of the design of automat as well as its codes and simulation wavefor m the perfor ming processwas illustrated in detail Key words EDA VHDL automat YUAN Yaheng Postgraduate School of Infor mation Engineering WUT Wuhan 430070 China 编辑 周廷美 上接第135页 Design of the Automatic W eldingMachine L ift Control System Based on PLC L IU Haochun CHEN Chunli Abstract The functional requirement of a lift control system was introduced A design scheme and the methods of hardware and software of the weldingmachine lift control System based on PLC was given The experimental result indicates that the control system using PLC as the hard core has the characteristi