6ES7216-2BD23-0XB8当天发货

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 本文从缠绕工艺、硬件工作原理和软件开发三个方面讨论了基于pc机和trio运动控制器的开放式自动铝带绕片机数控系统。
       
        翘片管是一种新型节能的热交换元件，是空气冷却器上较基本、较重要的元件，在空调、制冷业上取得了广泛的应用。它利用绕片头的压力将成盘铝带以一定的速度连续不断地在钢管外侧缠绕成螺旋状的散热片，使钢管的散热面积大大增加，成倍地提高散热效率。国外绕片机设备已经由电器自动控制发展到微机控制，有些还具备关键部位的状态监视和故障诊断功能,现正向高速绕片方向发展。目前国内的绕片机大多使用传统的继电器、接触器控制，翘片管螺距通过齿轮组调节，螺距受齿轮比的限制，螺距数是有限的，因此不能完成不同管径、不同螺距的无级调整，并且存在效率低下、绕制质量差等缺点，属于半手工半机械的操作方式，为此我们开发了这种新型自动铝带绕片机。
       
        本文主要介绍其自动控制系统部分，铝带缠绕时，钢管绕其主轴匀速旋转，小车电机拖动小车沿钢管轴向匀速运动并以一定的速度带动绕片头把成盘的铝带缠绕在钢管的外侧，达到生产翘片管的技术要求。本文从缠绕工艺、硬件工作原理和软件开发三个方面讨论了基于pc机和trio运动控制器的开放式自动铝带绕片机数控系统。这种数控系统的硬件体系结构就具有了开放式、模块化、可嵌入的特点，为生产厂商通过软件开发，给数控系统追加功能和实现功能的个性化提供了保。
       
        系统缠绕工艺
       
       
       
        生产此缠绕式翘片管的数控系统需要实现铝带绕钢管的相对螺旋运动，我们选用两个伺服电机来完成，一个电机带动小车沿钢管轴向运动，另一个伺服电机安装在主轴箱，通过主轴箱外的齿轮副带动上转动体、驱动轮的旋动。在绕制过程中，铝片是由直线状态被强制挤压成螺旋状态的，由于铝片跟钢管相比其刚度小，容易成型，因此铝片对钢管的影响不大，实现起来比较容易。铝片的绕制过程是由钢管相对于绕头的轴向进给和钢管沿自身轴线旋动的合成，因为在钢管的输送机构中，包括钢管的纯旋转和纯进给两条传动路线。在设计中选用了一种特殊的行星轮系实现了管子轴向进给和沿自身轴线回转的合成。这种驱动轮系是在一个圆周上均匀分布三组完全相同的结构的转轮，驱动轮的表面带有一种防滑材料，其目的就是增大驱动轮与钢管之间的摩擦力，这样更能有效的驱动钢管进行轴向运动。
       
        生产的翘片管铝片的螺距主要由主轴和小车的运行速度比实现，通过对电机进行不同转速的调节，实现翅片管螺距的无极调整，通过对绕片机校正装置液压缸的调整实现对不同管径的加工。此数控铝带绕片机缠绕属于环向缠绕即沿钢管圆周方向的缠绕，缠绕原理如图1所示。缠绕时，钢管绕自身轴线作匀速转动，小车在平行于钢管轴线方向往复运动。钢管每转一周，小车移动一个螺距的宽度，按此循环，直至铝带布满钢管表面为止，其缠绕角α一般在85°～90°之间。
       
        设小车纵向移动的速度为v1（mm/s），钢管的转速为n3（r/s），则缠绕的铝片螺距p＝v1/n3，又因为n2＝3.6n3，v1＝πd n1，n1＝120 n1，其中：n2为主轴电机的转速，n3为钢管的转速，d为齿轮的分度圆直径，n1为除去减速比后等价的小车电机转速，n1为小车电机的转速，主轴转速比3.6∶1，小车电机到齿轮齿条机构减速器的减速比为120∶1，因此：
       
        p＝v1/n3＝3.6πdn1/120n2，即n1/n2＝120p/3.6πd
       
        计算缠绕长度为l时，可以计算出小车从左端移动到右端，小车电机转过的角度：
       
        ω1＝（1/v1）n1`2π
       
        ＝（l/πd n1）n1`2π
       
        ＝240l/d
       
        主轴电机转过的角度：
       
        ω2＝（n2/）ω1
       
        ＝2l n2/dn1`
       
        ＝7.2π1/p
       
        由于铝带的强度有限，小车在加速、减速的过程中出现断带的情况，这样将严重影响生产的翘片管的质量和加工效率，因此绕片机要具有良好的启停特性，在此过程中需严格保证主轴和小车电机的速度比，无论是正常运行时的缠绕还是在加速、减程中，上述速度比关系应严格保持不变，这样才能保证生产的翘片管产品的质量。
       
        控制系统硬件组成
       
       
       
        系统的硬件组成原理图如图2所示。控制系统采取主从式cpu结构，工控机与trio运动控制器结合形成一个功能强大的开放式数控系统。工控机作为上位机主要负责人机界面管理、工艺参数设定、数控程序编辑等功能，trio运动控制器负责机床的运动控制，另外还需要用plc来完成对液压缸的逻辑控制。本数控系统支持用户的进一步开发和扩展，具有很好的开放性。
        
        

        
        图2 系统硬件原理图
       
        trio运动控制器
       
       
       
        trio是一种功能非常强大的开放式运动控制器。选用的mc206采用trio高性能32位dsp技术，具有4轴伺服或步进功能的控制器，此外还有一个编码器输入轴，通过软件配置各轴属性，可以对四个伺服轴或四个步进轴或二者的组合进行控制。mc206的基本硬件配置包括：can总线通讯接口1个、数字量输入通道8路、数字量输入输出双向通道8路、模拟量输入通道1路、伺服使能1个、伺服速度控制模拟量指令4路、差分式编码器输入一个、差分式编码器/脉冲输出4个、usb接口一个、串行口两个。
       
        trio控制器工作电源为24v直流电源，通过五孔连接器引入，当用到数字量输出的时候，必须单独提供24v的i/o电源。笔者采用模拟量的连接方式连接trio mc206运动控制器与安川伺服驱动器，同时将驱动器设置为速度控制模式，安川编码器分频输出的默认方向与trio控制器方向相反，因此需要将其a相信号与trio控制器a相信号反接，控制器码盘反馈的第五脚要和驱动器的sg引脚相连，以免损坏控制器。在mc206上配有和伺服放大器上servo_on相对应的常开继电器开关，用作对伺服放大器的使能，在控制器上此功能只是一个开关的闭合，所以要把此开关和伺服电源串接到一起。此继电器的开关还可由motion perfect中的drive enable按钮或trio basic指令wdog＝on/off来控制。
       
        数控系统工作原理
       
       
       
        控制系统以研华工控机和英国trio公司的mc206运动控制器为核心，实现对两个伺服电机的协同控制。绕片机主轴电机采用安川三相伺服电机，用日本安川伺服驱动器驱动。对于主轴电机的速度，本系统采用了抗负载变化能力较大的闭环控制方式。运动控制器轴3接口的模拟量输出作为伺服驱动器速度控制的输入信号,在运动控制器开环控制状态下设置模拟量电压输出值实现驱动器速度控制。旋转编码器完成主轴转角和速度的。驱动器采用速度控制方式,速度卡把编码器采样的信号一路作为驱动器输入实现速度闭环控制,一路作为速度和位置信号输入到控制器的编码器接口4,实现了由一个编码器完成速度闭环控制和主轴转角位置采样的功能。小车电机采用安川sgmgh-44aca61伺服电机完成精确定位，它沿铝管轴向往复运动,按照绕片规律以一定的响应速度和精度跟踪主轴运动。轴0接口工作于伺服模式,完成小车伺服电机的闭环控制。主轴编码器反馈接到mc206轴4接口，作为参考编码器的输入轴，为小车同步运动提供一个编码器输入。
       
          控制系统软件设计
       
       
       
        ·上位机管理软件
       
            控制系统的软件包括上位机管理软件和下位机控制软件。上位机管理软件主要完成系统配置、数控程序编辑、系统诊断和上下位机的通信功能等。该数控系统软件利用bbbbbbs内部大量的api（application program interface）函数以及visual c  的mfc（microsoft fountain class）类库，使用较成熟的visual c   6.0进行开发调试和维护，利用面向对象的编程思想，以多级菜单为主体，辅以对话框工具栏快捷键等交互方式，依据用户的需要定制良好的人机交互界面。为了方便在自动铝带绕片机安装出现故障时调试程序，特意设计了手动、半自动和自动运行的功能，

这种扫描方式仅适用于LED不超过10个时的场合，本例中只有4只LED数码管，故可以选用此方法。

    CJ1M系列PLC有丰富的定时指令，其定时器类型有1ms、10ms和100ms，这里选用TIMH指令[3>，定时器的设定值为#1，这样选通信号的周期为10ms。

    2.3同步化处理

    PLC采用循环周期扫描工作方式，指令的执行由上至下，有左至右，的结果将影响后面；**个周期的结果影响下一周期。PLC逻辑设计同步化就是设法实现：用脉冲信号控制输出及内部状态的转换，有脉冲作用的周期，执行指令才有效果；而且在脉冲信号起作用的这周期中，指令的执行结果，不改变后面指令的执行条件[4>。同步化处理的方法很多，在图2中是通过合理安排指令的先后顺序来实现同步的。

   系统上电，高速定时器开始定时，10ms后，其常闭触点断开，即T0输出一个脉冲，宽度为一个扫描周期。**个脉冲到了，6.04置位，成为**行的指令执行条件，但这时它的指令已经执行完毕，故在此脉冲作用期间，也不会有什么变化。依此类推，第四个脉冲之后，6.07置位，6.06复位，成为工作寄存器W0.00输出的条件，第五个脉冲到来，6.07复位，梯形图又回到初始状态，如此反复，分时实现四位数据的端6.04～6.07轮流接通10ms。

    2.4数据显示

    采用MOVD指令，将要显示的内部数据如DM区、W区、T/C区等中的一个字通过通道6显示出来。如图3所示，本例中，依不同的选通信号，将D0中的数据通过选择不同的位进行显示。

    3 功能扩展

    3.1显示双字

    在图1中，PLC输入端0.01接拨码开关SA，其作用根据其所在位置不同结合跳转指令（JMP/JME）来确定数据显示是哪个通道。如图4中，当SA为ON时，显示D0中的数据；当SA为OFF时，显示D1中的数据。

    3.2硬件扩展

    如果对4个选通输出点6.00～6.03采用一片4线－16线译码器（如SG74HC154）进行译码，可以扩展成16个循环的选通信号，就能显示4个通道的数据。如果结合开关SA，按图4中的方式，就可以显示8个通道的数据。

    5 结束语

    本文以CJ1M系列PLC为例，用9个I/O点（1个输入，8个输出）结合软件编程和硬件扩展来显示8个内部通道的数据（128位）。实践证明，该方法简易可靠、成本不高，适合实验教学和工程现场操作。

    可编程逻辑控制器（ProgrammingLogicController,PLC）作为一台工业计算机，集数据的采集、处理、显示于一身，那么作为数据终端，数据的显示是完全必要的。虽然PLC本身有许多指示灯，可以观测到PLC的CPU单元、输入/单元及网络通信单元的运行工作状态，但无法显示PLC内部数据。计算机通过与PLC通信以及触摸屏都可以实现PLC显示，但价格昂贵，对一些小型不需要经常改动的系统来说更是浪费。本文采用拨码开关和数码管来显示PLC内部数据，操作简单、廉，对实验教学和工程人员有参考价值。

    (1)应用行业：机加工、过程控制等。

    (2)使用产品：CJ1M(CPU22)，CS1W-ID211，CS1W-OD261

    (3)应用的主要工艺点及要解决的主要问题：内部数据的动态显示

    (4)应用方案简介：用高频率晶体管输出单元，结合高速定时器指令TIMH实现内部数据的动态显示。

    2 动态数据显示

    2.1硬件系统设计

    LED数码管有7段显示灯，可以用来显示0～9间的10个数字。CJ1M系列PLC内部通道数据一般都是四位，如果用借用每个输出点来控

    制一个显示灯，那么一个数码管就需要7个输出点，这显然要占用大量的输出点，是不经济的。这里选用含有内置译码电路的数码管如CD4511，可以把8421码自动译成7段码。8421码或BCD码用4个接口加选通信号，就可以显示一个数据位。将四个8421输入线组合与某个输出通道的较低四位相连，每个选通信号的输入信号与通道中剩下的四位相对应连接，这样一个输出通道就能显示PLC四位（一个字）内部数据。

    注意，这里的PLC输出模块应选用晶体管或者晶闸管输出单元，而不宜采用继电器输出单元。因为继电器输出单元为有触点开关，响应慢、速度低，不适用于高频率的通断，也不适用于动态数据显示[1>。故图1中采用OMRON公司CJ1W-OD261（64点）晶体管作为输出单元，其在本PLC机架上的IO地址分配为6.00～9.15，这里用0006通道作为内部数据的显示通道。6.00～6.03为CD4511的数据输入端A、B、C、D，其中A为较低位，D为较高位，为高电平时锁存数据，四位数据的端由PLC的6.04～6.07分别控制，4个数码管共占用8个输出点。

    2.2选通信号的生成

    由于4个数码管的线皆由一个I/O口控制，因此，在每一瞬间，4位LED会显示相同的字符。要想每位显示不同的字符，就必须采用扫描方式轮流点亮各位LED，即在每一瞬间只使某一位显示字符。使每位分时显示该位应显示字符，根据人眼视觉特性，当LED所加信号频率大于50Hz时,人眼不能感觉其变化，所以每位显示的间隔不能超过20ms，也就是说要在20ms之内分时的点亮所有LED，LED越多所分的时间越短，亮度就会不足；如果增加点亮时间，又会使扫描频率下降，有闪烁感容易造成人眼的彼劳，故常采用动态扫描方式[