旋轉編碼器在位置控制的應用設計論文
摘要：以提高錕壓成型機切料長(cháng)度的精度為改造目標。文章首先簡(jiǎn)介旋轉編碼器的工作原理和特點(diǎn)，然后闡述以PLC、旋轉編碼器和變頻器構成的位置控制系統，并詳細描述設計過(guò)程的位置計算、遇到的問(wèn)題及改造的成效。
關(guān)鍵詞：旋轉編碼器；PLC；變頻器；成型機；位置控制
前言
改造之前的老式成型機利用接近開(kāi)關(guān)來(lái)獲得鋼板的位置信息，通過(guò)調節接近開(kāi)關(guān)的位置來(lái)預計電機和鋼板的運動(dòng)慣量，鋼板在設定值停止的位置控制精度低，而且起動(dòng)和剎車(chē)時(shí)的機械沖擊大，經(jīng)常出現故障。針對上述問(wèn)題，我在這次改造中使用新的位置控制方式，利用旋轉編碼器、PLC、變頻器等部件，目標是使位置控制的精度提高，使產(chǎn)品的長(cháng)度誤差在正負1mm以?xún)�。在自�?dòng)模式下加工全程由程序控制，以雙速運行使中間過(guò)程加快，同時(shí)可以實(shí)現成型機的牽引軟啟動(dòng)和軟制動(dòng)使整個(gè)錕壓過(guò)程平穩、無(wú)機械沖擊。
1錕壓成型機的基本結構
1。1錕壓成型機主要由機架、錕輪機傳動(dòng)裝置、放卷及切斷裝置組成
被壓制材料通常是1。0mm～2。0mm厚鍍鋅帶狀鋼板。主機的傳動(dòng)是通過(guò)鏈條實(shí)現的，先由牽引電機經(jīng)減速機傳給主動(dòng)壓錕，再由主動(dòng)壓錕用鏈條帶動(dòng)其他多道壓錕。上下各有壓錕。壓錕是由模具和轉動(dòng)軸組成，壓錕帶動(dòng)鋼帶前進(jìn)。前進(jìn)方向上各軸的模具是按逐漸加深的順序來(lái)安裝的，所以鋼帶在模具間走過(guò)就逐漸被壓制成設計要求的形狀。錕壓成型機的主機結構如圖1所示。
1。2液壓切斷裝置
液壓切斷部分由剪切刀架體和模具組成。該裝置采用落料切斷，以油缸液壓推動(dòng)切刀起落。切斷后型材產(chǎn)品直接落至托料架。
1。3液壓站
主要用于向生產(chǎn)線(xiàn)剪切裝置提供壓力油，液壓站放置在剪切裝置旁的非操作側。
2旋轉編碼器簡(jiǎn)介
2。1光電式旋轉編碼器的工作原理
光電式旋轉編碼器，是一種通過(guò)光電轉換將軸的角位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器。把它裝在轉軸上可以被用作速度控制或位置控制系統的檢測元件。旋轉編碼器主要參數是分辨率，編碼器的光電碼盤(pán)在360度范圍有的通或暗刻線(xiàn)的數量稱(chēng)為分辨率，或直接稱(chēng)多少線(xiàn)。它通過(guò)編碼器每轉輸出的脈沖數反映出來(lái)。
2。2增量式旋轉編碼器的特點(diǎn)
增量式編碼器轉軸旋轉時(shí)，有相應的脈沖輸出，其計數起點(diǎn)任意設定，可實(shí)現多圈無(wú)限累加和測量。本案是用旋轉編碼器來(lái)測鋼帶的相對位移，根據編碼器的特點(diǎn)，選用增量式旋轉編碼器。
3旋轉編碼器在位置控制中的應用
3。1位置控制系統的構成
位置控制方框圖如圖2所示，它主要由PLC、旋轉編碼器、變頻器、觸摸屏、變頻電動(dòng)機組成。以下著(zhù)重介紹前面三個(gè)主要組件。3。1。1PLC。PLC采用三菱的FX1S—20MR，它作為控制系統的核心單元，負責接收旋轉編碼器送來(lái)的脈沖信號，經(jīng)過(guò)內部的高速計數器C235進(jìn)行計數和運算，按程序設定輸出控制信號到變頻器及電磁閥等執行器件，使機器按程序進(jìn)行相應動(dòng)作。其中傳感器用旋轉編碼器對鋼帶的位移監測。3。1。2變頻器。
�。�1）使用變頻器調速的原因：雖然伺服系統有精確、快速定位的優(yōu)點(diǎn)，大功率的伺服驅動(dòng)器配伺服電機價(jià)錢(qián)也太高，故嘗試使用變頻器�，F在本設計用旋轉編碼器測位移后將信息送到PLC按程序雙速運行，避免高速停車(chē)，并通過(guò)精確的實(shí)時(shí)位置測算達到準確停車(chē)的效果。
�。�2）在變頻器的控制端口DI1、DI2、DI3、COM輸入由PLC輸出正轉、反轉、低速的控制信號，驅動(dòng)變頻電機來(lái)完成相應的任務(wù)指令。變頻器自帶的制動(dòng)單元配合外置的制動(dòng)電阻作能耗制動(dòng)。
�。�3）觸摸屏作為PLC的輸入和顯示數據裝置，使用觸摸屏的RS—422接口與PLC連接，在觸摸屏設定產(chǎn)品的數據并顯示當前工作狀態(tài)和數值。
3。2位移測量與計算
本設計采用旋轉編碼器產(chǎn)生與位移成正比的脈沖，將其輸入PLC的X0高速計數器端口，構成位置反饋，累加脈沖數反映鋼帶位置，觸摸屏顯示經(jīng)過(guò)程序換算的數值反映電機拖動(dòng)機械實(shí)際行走的位移。程序中用單相單計數的高速計數器C235，32位增/減計數，機器默認為增計數。位移L=SI
�。�1）式中：S—脈沖當量；I—累計脈沖數注：旋轉編碼器安裝在位移測量輪的軸上以測量輪轉一圈計算，位移等于測量輪的周長(cháng)C，累計脈沖數I等于每轉一圈的脈沖數，即編碼器的分辨率，歐姆龍編碼器E6B2的分辨率：I=1000P/r，測量輪的直徑D=95。5mm，所以L(fǎng)=C=πD，又根據式（1）得：S=L/I（2）將實(shí)際數值代入式
�。�2）：每一圈的位移L=πd=3。1416×95。5=300。02（mm）脈沖當量S=L/I=300。02/1000≈0。3（mm/P）如圖3所示鋼帶位移計算的過(guò)程。設每個(gè)產(chǎn)品的加工周期所走過(guò)的總位移是L總，刀與測距光纖間的距離是L光纖距，產(chǎn)品上最末的孔到產(chǎn)品末端的距離L尾孔距，切刀的厚度L刀厚，長(cháng)度校正L校。L總=L光纖距+L尾孔距+L刀厚+L校根據式（1）可得累計脈沖數I=L/S將位移轉化成脈沖數，用比較指令把C235的累計數與設定值對應的脈沖數比較，取得機器動(dòng)作所需精確的位置點(diǎn)。設定了低速長(cháng)度L低就可以得：主速度位移是L總－L低。當鋼帶走完主速度位移，由PLC發(fā)出轉入低速信號，使變頻器的頻率下降至3。5Hz，鋼帶以低速前進(jìn)。圖3中各段間距以Dxxx表示，是PLC程序里的數據寄存器，例如D192（低速長(cháng)度）可以在觸摸屏上直接修改設置數值。
3。3實(shí)際需要解決的幾個(gè)技術(shù)問(wèn)題
�。�1）高速計數器的溢出問(wèn)題：PLC程序的`32位增/減計數，計數范圍—214783648~+214783647，若超過(guò)范圍進(jìn)行計數，高速計數器就會(huì )溢出。為解決這一問(wèn)題，程序設置在產(chǎn)生計數溢出前C235復位，即每次切完產(chǎn)品后進(jìn)行一次C235和長(cháng)度數據寄存器復位，因為我們不需要整卷鋼帶的長(cháng)度，只需分段計每節產(chǎn)品的長(cháng)度。
�。�2）高速計數器輸入信號頻率限制問(wèn)題：C235的輸入脈沖頻率有限制，其中X0的最高頻率為10kHz。鋼帶前進(jìn)最高速度約V=0。1m/s，脈沖當量是0。3mm/P，測量輪周長(cháng)C=300。02mm。轉一圈的時(shí)間T=C/V=0。3/0。1=3s，即轉一圈對應1000P所用時(shí)間3s。實(shí)際使用的脈沖頻率的最大值fmax=1000/3≈333（Hz）故實(shí)際使用的脈沖頻率遠小于X0的最高頻率10kHz上限值。
�。�3）傳動(dòng)鏈條的間隙補償問(wèn)題：由于這種位移測量屬于開(kāi)環(huán)測量，因此必須解決傳動(dòng)鏈條的間隙補償問(wèn)題。為解決這一問(wèn)題，可在程序中高速計數器的當前值累加一個(gè)間隙補償量，即觸摸屏顯示的長(cháng)度校正，這補償量的大小根據多次調試來(lái)定。
4改造的成效分析
改造后機器比之前有以下效果：
�。�1）產(chǎn)品長(cháng)度的合格率提高主要靠測量的精度提高，這次改造所用的旋轉編碼器位移測量裝置每個(gè)脈沖的位移僅0。3mm。雖然這測量系統屬于開(kāi)環(huán)系統，其精度取決于位移的給定精度，而用旋轉編碼器來(lái)測量位移正好能夠低成本地提高系統的給定精度。其次用程序控制變頻器進(jìn)行雙速度切換，接近停車(chē)時(shí)以低速運行，鋼帶運行到預設的位移后，PLC的C235計數器計數脈沖累加達到主速度預設值，PLC發(fā)出換速指令送到變頻器，鋼帶降速，以低速行到停止位，這樣停車(chē)的位置更準確。停的位置準，落刀切出來(lái)的產(chǎn)品長(cháng)度也就精確。計數脈沖累加達到刀與末端距離的預設值PLC指令低速結束變頻器瞬間制動(dòng)，與此同時(shí)切斷裝置的電磁閥開(kāi)關(guān)動(dòng)作，使油缸推動(dòng)切刀落下，完成一次加工。
�。�2）操作便捷，機器的自動(dòng)化程度提高。加工參數可在觸摸屏上輸入，長(cháng)度、加工件數可以不斷跳變顯示。（3）用程序控制變頻器運行頻率，由變頻器驅動(dòng)電機，可以使啟動(dòng)和停止無(wú)機械沖擊，而中間過(guò)程的主速度可以加快，這是雙速運行的優(yōu)勢。解決了加工速度和產(chǎn)品精度的矛盾。
參考文獻
[1]盧寧，張晉宏。一種用PLC和旋轉編碼器測量位移的方法[J]。機械工程與自動(dòng)化，2007（4）。
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