潘玉山

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 靖江 214500）

基于20GM定位模塊的人字齒軸輥?zhàn)詣?dòng)堆焊機(jī)控制系統(tǒng)

潘玉山

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 靖江 214500）

針對(duì)原始軸輥堆焊設(shè)備定位精度差、加工質(zhì)量不穩(wěn)定、堆焊效率低等缺陷，提出利用FX2N- 20GM定位模塊、FX2N系列PLC和步進(jìn)電機(jī)組合的控制系統(tǒng)方案。實(shí)踐表明，該控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)焊槍與軸輥聯(lián)動(dòng)控制，保證軸輥獲得準(zhǔn)確堆焊齒形，大大改善工作環(huán)境，提高加工效率。

人字齒軸輥；20GM定位模塊；PLC；控制系統(tǒng)

0 引 言

人字齒軸輥是碾碎機(jī)械的關(guān)鍵部件，也是易損件之一。如何提高人字齒軸輥的使用壽命和快速生產(chǎn)加工與修復(fù)，已成為碾碎加工提高生產(chǎn)率、降低消耗的重要課題。人字齒軸輥加工與修復(fù)的關(guān)鍵宜解決以下兩個(gè)問題：一是保證齒面具有足夠的硬度（>HRC55）與耐磨性；二是形成人字齒形。堆焊技術(shù)以其堆焊層質(zhì)量穩(wěn)定、表面成形美觀、硬度高、耐磨性好、耐疲勞性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)可以解決問題一[1]；問題二的解決則需要借助于專用堆焊設(shè)備，通過控制焊槍和軸輥間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)完成所需要的堆焊形狀。由于可編程控制器（PLC）是專門在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高等顯著優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制裝置[2]。通過實(shí)踐與深入研究，本文提出利用PLC和定位模塊控制步進(jìn)電機(jī)的人字齒軸輥?zhàn)詣?dòng)堆焊機(jī)的控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

1.1 人字齒軸輥堆焊基本生產(chǎn)工藝

結(jié)合堆焊工藝要求和軸輥人字齒形（見圖1）的特點(diǎn)，擬采用分層堆焊一個(gè)齒后，再堆焊加工第二個(gè)齒，依此類推。依據(jù)該控制系統(tǒng)的工作流程，可以得出其堆焊步驟為：（1）動(dòng)力開啟；（2）機(jī)械、電氣原點(diǎn)回歸；（3）各軸快進(jìn)至工作位置；（4）堆焊輪齒第一層；（5）堆焊輪齒第二層（根據(jù)層高要求堆焊第三層等）；（6）分度；（7）重復(fù)（3）～（5）的動(dòng)作，完成所有輪齒堆焊，并符合尺寸、硬度要求；（8）原點(diǎn)回歸。

圖1 堆焊軸輥人字齒形

1.2 控制系統(tǒng)的組成

考慮到其經(jīng)濟(jì)性，堆焊機(jī)在普通C6140×1500機(jī)床的基礎(chǔ)上改造而成，并將機(jī)床的旋轉(zhuǎn)向作為Z軸，機(jī)床縱向作為X軸，橫向作為Y軸。縱、橫向直線運(yùn)動(dòng)采用滾珠絲杠步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)采用觸摸屏（選用A960GOT）輸入顯示數(shù)據(jù)，通過PLC(選用FX2N-32MR)和定位模塊（選用FX2N-20GM）控制步進(jìn)電機(jī)，以控制焊槍按照齒形要求堆焊軸輥。從堆焊加工過程來看，主要包括焊槍縱向（左右）運(yùn)動(dòng)與軸輥旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、焊絲送進(jìn)運(yùn)動(dòng)、焊槍橫向（前后）調(diào)整等主要?jiǎng)幼?，而這些動(dòng)作分別由對(duì)應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)完成，其中焊槍縱向（左右）運(yùn)動(dòng)與軸輥旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要用20GM定位模塊來實(shí)現(xiàn)。此外，控制系統(tǒng)還具備實(shí)現(xiàn)對(duì)焊劑控制閥、焊接電源控制，以及對(duì)焊接電源的檢測(cè)等輔助控制部分。利用PLC和定位模塊實(shí)現(xiàn)人字齒軸輥?zhàn)詣?dòng)堆焊機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 人字齒軸輥?zhàn)詣?dòng)堆焊機(jī)控制系統(tǒng)

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 20GM定位模塊參數(shù)及m碼操作

20GM定位模塊通過參數(shù)設(shè)定才能滿足各方面要求。定位模塊參數(shù)主要包括定位參數(shù)、I/O控制參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)三種類型，每種類型又包括若干參數(shù)，如定位參數(shù)含單位體系、機(jī)械零點(diǎn)和速度等。相關(guān)參數(shù)具體設(shè)定和操作方法參見《三菱FX2N-10GM 和 FX2N-20GM硬件/編程手冊(cè)》[3-4]。

定位模塊m碼指令用來驅(qū)動(dòng)各種協(xié)助定位操作設(shè)備，如軸輥旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和焊槍縱向（左右）運(yùn)動(dòng)。在執(zhí)行定位程序時(shí)，m碼被驅(qū)動(dòng)，m碼開信號(hào)打開，并作為狀態(tài)信號(hào)存在定位模塊對(duì)應(yīng)的特殊輔助繼電器（Ms）中，同時(shí)被驅(qū)動(dòng)的m碼編號(hào)被存入對(duì)應(yīng)的特殊數(shù)據(jù)寄存器（Ds）中，在m碼關(guān)閉信號(hào)未打開前，m碼始終保持打開狀態(tài)。m碼的關(guān)閉一般是由PLC發(fā)送m碼關(guān)閉命令傳送給定位模塊對(duì)應(yīng)的特殊Ms，并改變開信號(hào)對(duì)應(yīng)特殊Ms的狀態(tài)。m碼信息與特殊Ms/Ds及緩沖存儲(chǔ)器（BFM）的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 m碼信息與特殊Ms/Ds及BFM的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.2 20GM定位模塊與PLC之間的通信

由于對(duì)自動(dòng)堆焊機(jī)系統(tǒng)的控制是由PLC和20GM定位模塊共同來完成的，因而兩者之間必須實(shí)現(xiàn)通信。PLC用FROM/TO指令對(duì)20GM定位模塊內(nèi)部BFM進(jìn)行讀寫操作，以達(dá)到兩者之間的信息交換。FROM指令是把定位模塊BFM中的內(nèi)容讀到PLC中，TO指令則與FROM指令相反，是把PLC的內(nèi)容寫到定位模塊BFM中,如圖3所示。在20GM定位模塊中，一旦m碼被驅(qū)動(dòng)，PLC通過FROM指令讀信息，執(zhí)行PLC直接控制的輔助設(shè)備操作，而此時(shí)20GM定位模塊處于等待狀態(tài)。當(dāng)輔助設(shè)備操作結(jié)束，PLC通過TO指令發(fā)送m碼關(guān)閉命令，使20GM定位模塊繼續(xù)執(zhí)行定位程序[5]。20GM定位模塊與PLC之間的通信程序如圖4所示。

圖3 20GM定位模塊與PLC之間的通信

圖4 20GM定位模塊與PLC之間的通信程序

圖4中，X1為啟動(dòng)按鈕，X2為停止按鈕，M1為輔助動(dòng)作1（送焊劑、送絲、引?。┩瓿尚盘?hào)，M2為輔助動(dòng)作2（滅弧、停止送絲、關(guān)焊劑）完成信號(hào)，Y11控制輔助動(dòng)作1，Y12控制輔助動(dòng)作2。加工參數(shù)先通過人機(jī)界面寫到PLC中，再用PLC TO指令，將其寫到定位模塊，自動(dòng)堆焊機(jī)則按照這些參數(shù)完成堆焊運(yùn)動(dòng)，直至加工出所需要的堆焊齒形。m碼被驅(qū)動(dòng)時(shí)，PLC用FROM指令讀m碼打開信號(hào)及m碼的編號(hào)，使M51接通，并調(diào)用解碼指令DECO對(duì)讀到的m碼編號(hào)進(jìn)行解碼。M10驅(qū)動(dòng)時(shí)，解碼為M110接通，驅(qū)動(dòng)Y11，同樣，M11驅(qū)動(dòng)時(shí)，解碼為M111接通，驅(qū)動(dòng)Y12。輔助動(dòng)作1、2結(jié)束，分別使M31、M32接通，均驅(qū)動(dòng)M3。M3信號(hào)作為m碼關(guān)閉命令，通過PLC TO指令傳送給定位模塊，實(shí)現(xiàn)了m碼的關(guān)閉。如此，程序按照預(yù)先設(shè)定一步一步執(zhí)行每個(gè)動(dòng)作，完成整個(gè)加工過程。

2.3 20GM定位模塊兩軸聯(lián)動(dòng)加工程序

當(dāng)該控制系統(tǒng)啟動(dòng)后，第一次按下“啟動(dòng)”按鈕，控制系統(tǒng)兩坐標(biāo)軸自動(dòng)、單獨(dú)回原點(diǎn)，原點(diǎn)位置均為0。在該控制系統(tǒng)回原點(diǎn)后，再次按下“啟動(dòng)”按鈕，自動(dòng)完成如下動(dòng)作循環(huán)：（1）送焊劑、送絲、引??；（2）X軸、Z軸插補(bǔ)到X400，Z150；（3）再插補(bǔ)到X800，Z0；（4）滅弧、停止送絲、關(guān)焊劑；（5）快速到原點(diǎn)；（6）重復(fù)（1）～（5）步驟；（7）Z軸快速定位相對(duì)值14；（8）重復(fù)（1）～（7）98次，動(dòng)作結(jié)束。

為了實(shí)現(xiàn)以上動(dòng)作控制，需要對(duì)PLC與20GM定位模塊編制兩種不同的控制程序。在PLC中主要進(jìn)行輸入、輸出的邏輯處理與模塊動(dòng)作控制；在20GM定位模塊中主要進(jìn)行定位控制。同時(shí)必須對(duì)20GM定位模塊設(shè)定相應(yīng)的控制參數(shù)。其加工程序[6]如下：

3 結(jié)束語

利用PLC和20GM定位模塊可充分體現(xiàn)人字齒軸輥?zhàn)詣?dòng)堆焊機(jī)控制系統(tǒng)靈活、可靠性高的特點(diǎn)，完全滿足軸輥堆焊加工要求，克服原有加工設(shè)備勞動(dòng)強(qiáng)度大、質(zhì)量不穩(wěn)定等缺陷，提高定位精度，較之人工定位方式提高生產(chǎn)效率近10倍。更重要的是，該堆焊設(shè)備改善了加工環(huán)境，提高了材料利用率，避免了二次人工修整打磨，降低了資源消耗，符合“循環(huán)經(jīng)濟(jì)”的要求。

[1]關(guān)旭，柳長(zhǎng)青，王文，等.輥?zhàn)幼詣?dòng)堆焊設(shè)備的研制[J].焊接，2008(3):64-66.

[2]唐立偉，李和平.FX2N-20GM在玻璃鉆孔加工中的應(yīng)用[J].電氣應(yīng)用，2008(12):12-14.

[3]三菱電機(jī)公司.三菱FX2N-10GM和FX2N-20GM硬件/編程手冊(cè)[M].MITSUBISHI，2000:4-17.

[4]李紅，董偉.基于FX_(2N)-10GM定位模塊的圓臺(tái)磨床數(shù)控系統(tǒng)[J].機(jī)床電器，2007(4):16-18.

[5]祝銘尉，許昌，魏艷紅.數(shù)控彎管機(jī)中定位模塊的應(yīng)用[J].機(jī)械工程師，2007(2):125-126.

[6]黃菊生，劉美俊，龔存宇，等.三菱定位控制單元m碼通信及應(yīng)用開發(fā)[J].電氣傳動(dòng)，2006(8):51-53.

[責(zé)任編輯：蔡 兵]

Control System of Automatic Surface Welding Machine of Herringbone Gear Shaft Roller Based on 20GM Positioning Module

PAN Yushan
(Jiangsu Joint Vocational & Technical College, Jingjiang, 214500, China)

In the light of the inaccurate positioning, instable processing and low efficiency surface welding of the original shaft roller equipment, this paper presents a control system consisting of FX2N-20 GM positioning module, PLC of FX2N Series and stepping motor. It shows that the system can obtain the joint control of welding torch and shaft roller, and ensure the accurate welding gear of shaft roller, which has greatly improved the working environment and promoted the processing efficiency.

Herringbone gear shaft roller; 20GM positioning module; PLC; Control system

TP273

A

1671-4326(2011)01-0059-03

2010-12-11

潘玉山（1967—）男，江蘇揚(yáng)州人，江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院高級(jí)講師，碩士.