用PLC控制液压缸的定位精度

用PLC控制液压缸的定位精度 陶亦亦,查建方 (苏州市职业大学 机械工程系,江苏 苏州 215011) 摘要:以三菱公司FX2系列小型可编程序控制器为例,对其用于控制液压缸运动的定位精度问题作了分析,指出 了引起随机定位误差的原因在于PLC存在较大的I/ O响应滞后,并从充分利用PLC本身所具有良好性能的角度 来研究提高定位精度的措施,提出了缩短I/ O响应滞后时间的3个途径,最后通过控制系统实例加以验证。 关键词:PLC控制;定位精度;响应时间 中图分类号:TH137151 文献标识码:A 文章编号:1007 - 9483(2001)01 - 0051 - 02 The Orientation Precision Control with PLC TAO Yi - yi , ZHA Jian - fang (Suzhou Vocational Institue , Jiangsu Suzhou , 215011 ,China) Abstract :The paper analyzes the orientation precision controlled by hydraulic system and PLC , as an example , it discusses the FX2 product made by Japan. It shows that the random position error is brought by the lag I/ O response in PLC , and presents the method to reduce this lag and improve the precision. Key words :PLC Control , Orientation Precision , Response Time 可编程序控制器作为一种新型的自动控制装置,将传 统的继电器技术与计算机技术和通讯技术融为一体,专门 为工业控制而设计,具有高可靠性、 较强的工作环境适应性 和极为方便的使用性能,已广泛应用于各种生产机械和生 产过程的自动化控制。液压传动以易获得很大的推力或力 矩、 运动传递平稳均匀、 准确可靠等特点,极其广泛地用于 机床的控制中,特别是与PLC技术相结合的机床电液控制 系统,大大提高了机床的灵活性和自动化程度,为大规模发 展自动化生产线提供了广泛的应用前景。 文献1介绍了用PLC进行液压缸运动控制的方法, 指出了由于PLC存在较大的I/ O响应滞后的缺陷,造成定 位时有较大的随机误差,因而导致在控制较高运动速度的 液压缸时,其定位精度不高,并提出了以牺牲一定的生产效 率来提高位置精度的措施。本文通过分析影响定位精度的 原因,从充分利用PLC自身所具有良好性能的角度来研究 提高定位精度的措施。 1 定位误差分析 当PLC用于电液位置控制系统时,因PLC是以扫描方 式进行工作的,故定位控制元件发出的信号到输出执行之 间有一定响应滞后时间,即I/ O响应滞后时间,正因为这个 响应时间,造成了控制液压缸运动定位时有较大的随机误 差。由PLC的工作原理可知,影响I/ O响应滞后时间t的 主要因素有3个,即输入滤波器响应时间t1、 输出继电器 响应时间t2、 程序执行扫描时间t3,下面以三菱公司FX2 系列小型可编程控制器为例,进行误差分析。 为增强PLC的抗干扰能力,提高其可靠性,PLC的输 入端一般都串联一个R - C滤波器,由此引起的响应滞后 时间为t1= 10ms左右;当输出模块采用继电器输出方式 时,由于继电器输出模块的每个输出端采用的是继电器的 常开触点,继电器线圈从通电到其常开触点闭合以及线圈 重新断电到其触点断开都需要经过一段时间的延迟,常开 触点由 “ONOFF” 需延时约12ms ,由 “OFFON” 则需延 时约10ms ,故输出模块的响应时间近似为t2= 10ms;程序 执行扫描时间是等于自诊断、 通信、 输入采样、 用户程序执 行、 输出刷新等所有时间的总和,当开关量I/ O为40点时, 设用户程序为500步,其中含有20条特殊功能指令,根据 I/ O的扫描速度为0103ms/ 8点、 用户程序的扫描速度为 0174s/步、 自诊断等执行时间为0196ms ,则程序执行扫描 时间t3= 3148ms。因而在最不利的情况下,输出响应滞后 输入响应的最长时间可估算为t =2 ( t 1+ t2+ t3) = 47ms2。在 此 情 况 下,当 液 压 缸 的 移 动 速 度 为 4 000mm/ min时,定位随机误差达x= 410301047/ 60 =312mm ,且程序越长,运动速度越快,定位随机误差也越 大。如果再考虑液压缸和电磁阀的机械滞后,则实际定位 误差更大,这对有定位精度要求的自动控制系统来说是不 允许的。 2 减少I/ O响应滞后的措施 从上述分析可知,影响液压缸定位精度的主要因素是 收稿日期:2000 - 06 - 09 ;修订日期:2000 - 09 - 14 作者简介:陶亦亦(1963 - ) ,男,江苏苏州人,苏州市职业大学讲师,学士,主要研究领域为液压传动与控制、 电气控制、 可编程序 控制器应用等。 15 新技术 新工艺 陶亦亦 查建方 用PLC控制液压缸的定位精度 I/ O响应滞后时间,要提高定位精度,减小定位随机误差, 必须从减少输入滤波器响应时间、 输出继电器响应时间和 程序执行扫描时间这3方面入手。 211 缩短输入滤波器响应时间 为提高PLC的I/ O响应速度,现在的PLC中大都提供 了若干个专门用于高速输入的开关量输入端,如FX2系列 PLC就有X0X7共8个这样的高速输入端。这些输入端 采用了时间常数很小的R - C数字式滤波器,其滤波时间 常数可以用刷新数字滤波时间常数指令REFF加以修改, 使它们的滤波时间常数最小可设为50s ,大大减小了输入 滤波时间常数对I/ O响应速度提高的阻碍。 212 缩短输出响应时间 为能适应各种外部负载形式,一般都采用继电器输出 方式,这种输出模块的响应时间较长,不利于I/ O响应速度 的提高,若能根据外部负载形式的具体情况来选择不同的 输出模块,就可以缩短输出响应的时间。对于PLC控制的 机床电液控制系统,常因直流电磁阀具有工作平稳、 可靠、 安全等优点而被选用,这类负载形式可考虑采用晶体管输 出方式。若采用晶体管作为输出的电子开关,其响应时间 比较短,不论晶体管是 “OFFON” 还是 “ONOFF”,其响 应时间均不超过2ms ,是采用继电器输出方式的响应时间 的1/ 5。 213 缩短程序执行扫描时间 因输入信号产生的时刻是不确定的,而PLC仅在输入 采样阶段才读入输入信号,这种扫描处理方式既影响了I/ O 的响应速度,又造成了响应滞后时间的不确定,导致了定位 误差的随机性,解决这个问题的最好办法是采用中断技术。 图1 中断程序结构 FX2系列PLC提供了6 个外部中断源I00 I50, 每个中断源的中断请求信号 连接到相应 的高速输入端 X0X5 ,且当这些高速输入 端作为中断请求信号的输入 端时,PLC的CPU自动地将 它们的滤波时间常数设为 50 s( 与上述措施211一致)。 设采用X0 (X0优先权最高) 作为中断请求信号的输入端, Y0为输出驱动信号,则可采 用图1所示中断程序结构。 采用上述程序结构后,输入信号响应时间不受扫描时 间的影响,程序执行滞后时间仅为执行中断服务程序的时 间,即由中断响应时间 (200 s) 加上执行中断服务程序的时 间(约100 s) 共013ms左右。 综上所述,采取以上措施以后,I/ O响应滞后时间缩短 为t=2 ( t 1+ t2+ t3)= 2135ms。 3 PLC控制系统实例 在一台CB7620型卡盘多刀半自动车床上,将原来插销 预选程序的继电器控制系统改用PLC控制,原先液压缸驱 动刀架进给的定位精度是靠死挡铁、 行程开关、 时间继电器 的配合来实现的。实际使用过程中,单靠行程开关控制时, 其定位精度不高且误差波动较大,而采用死挡铁限位又会 引起较大的冲击和振动,产生干扰。当改用光电开关作为 位置检测反馈信号的控制后,工作稳定性和定位精度大为 改善。该系统液压原理如图2所示(因篇幅关系,图中仅列 图2 进给控制部分液压原理图 出进给控制部分 ) , 电磁铁动作顺序见表1 ,图3为PLC外 部I/ O端子分配图,图4为采取上述措施后设计的控制程 序梯形图,其中X0、X2为光电开关的脉冲输入通道。 图3 I/ O端子分配图 图4 控制程序梯形图 (下转第54页) 252001年1月 机械设计与制造工程 第30卷 第1期 图1 单层钎焊金刚石砂轮表面形貌 2 钎焊金刚石砂轮的实验研究 211 实验条件 钎焊加热设备为上海新兴机械厂生产的GP30 - CW7 型高频感应焊机,焊料分别为HL209银基钎料和Ni - Cr101 ,其上涂有银焊剂102膏,金刚石为JR4人造金刚石, 粒度35/ 40。先对基体表面进行除锈、 抛光,再用酒精清 洗,人造金刚石用10 %稀硫酸清洗后,再用去离子水漂洗 后烘干;将102膏分别涂在基体表面和焊片上,把焊片放在 基体表面上,再把金刚石撒在焊片上面,上机加热。 212 实验结果分析 提高金刚石与钎料结合强度的关键是在钎焊过程中金 刚石与钎料在结合界面上能够产生化学冶金结合,但金刚 石的钎焊性较差,大多数金属对金刚石的浸润性都很差,虽 然A1、Fe、Co和Ni在液态下能浸润金刚石,但在能浸润的 温度下,它们对金刚石的侵蚀都很严重。至于像Ti、Zr、Cr、 V等过渡族元素是碳化物形成元素,虽然都能很好地浸润 金刚石,但它们的熔化温度大于1 600,在这个温度下金 刚石将会严重石墨化。即从钎焊金刚石的角度出发,似乎 找不到一种既能充分浸润又不严重侵蚀金刚石的纯金属材 料。在反复实验的基础上,笔者发现在低熔点合金中添加 少量碳化物形成元素是一条切实可行的途径。笔者尝试了 两种合金材料,一种是添加有Cr的Ag - Cu合金,感应钎焊 35s ,温度为780;另一种是Ni - Cr合金,感应钎焊30s ,温 度为1 080。结果两种钎料均能将金刚石牢固地钎焊在 钢基体上,金刚石具有很高的把持强度。 后续的大负荷磨 削实验表明,没有金刚石整颗脱落,图2为Ag - Cu合金加 Cr粉的钎焊金刚石砂轮试件的电镜图。借助能谱仪(EDS) 及电子探针(EPMA)对接头区垂直于界面方向的截面进行 了定点成份分析和线扫描,可以看到合金中的元素具有明 显的浓度分布偏析,其中靠近金刚石处Cr浓度达68143 % , 靠近钢基体处为49125 % ,而合金中间处则为5149 %。进 一步X衍射分析发现,合金钎料与金刚石在界面生成CrC 的同时与钢基体反应生成 (Fe xCry ) C 的碳化物,因此这种钎 焊工艺可以确保合金层与金刚石及钢基体之间都能获得较 高的结合强度。 图2 镀钛金刚石加热 35s( 加铬粉) 3 结 论 (1)通过对现有超硬磨料砂轮特点的分析和探讨,指出 了它们存在的缺点和钎焊砂轮的优点及发展前景。 (2)通过初步实验研究,证明了金刚石钎焊砂轮是完全 可行的,并且取得了较好的实验结果,但其磨削性能有待进 一步研究。 参考文献: 1 Chattopadhyay A K,Hintermann H E1Induction brazing of dia2 mond with Ni - Cr hardfacing alloy under argon atmasohere J 1 Surface and Coating Technology ,1991 ,(45) :293 - 2981 2 Chattopadhyay A K,Hintermann H E1On performance of brazed bonded monolayer diamond ging wheelJ 1Annals of the CIRP , 1991 ,40(1) :347 - 3501 (上接第52页) 表1 进给控制部分电磁铁动作顺序 动作1DT2DT3DT4DT5DT6DT转换指令 横 进-+-+SB2 纵快进+-SQ1 纵工进+-+-SQ2 横 退-+-SQ3 纵快退-+-SQ4 纵原点-SQ5 图4所示的程序中, I/ O响应滞后时间t 减小到了 2135ms ,以刀架最高运动速度4 000mm/ min计算,定位误 差 x= 410301002 35/ 60 = 0116mm ,比不采取措施的 定位误差小了20倍。 4 结束语 本文仅从PLC软件措施等方面提出了提高定位精度 的方法,在实际控制过程中,因电磁阀的机械滞后、 液压缸 运动惯性等原因也会引起定位误差,这可以通过现场调试 来解决;若要进一步提高定位精度,还可以选用PLC的定 位控制单元模块等方法,但需要增加一定的经济成