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臺達(dá)機電產(chǎn)品在自動沖床上的成功應(yīng)用
本文介紹了利用臺達(dá)DOP-A57BSTD觸摸屏（HMI）、DVP-28SV11T可編程控制器（PLC）與ASD-B系列交流伺服、VFD-M系列變頻器，實現(xiàn)對自動沖床的精確控制，使沖床操作更加方便、定位更加準(zhǔn)確的同時，大大提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，為企業(yè)贏得更大的經(jīng)濟效益和社會效益。
關(guān)鍵詞：自動沖床 PLC HMI 伺服電機 變頻器 重復(fù)定位精度
1 .引言
海寧某太陽能機械配件生產(chǎn)企業(yè)，原來主要生產(chǎn)太陽能熱水器的配件為主，由于國內(nèi)近年來太陽能熱水器產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，帶動了其配件行業(yè)的壯大，但是其裝備業(yè)還停留在原有基礎(chǔ)上，以通用沖床設(shè)備加簡易工裝來實現(xiàn)，無法滿足大批量、高質(zhì)量產(chǎn)品的需求，迫切需要專用的自動沖床來滿足日益擴大的生產(chǎn)需要。應(yīng)客戶請求，配套開發(fā)應(yīng)用于太陽能熱水器行業(yè)專用的自動沖床控制系統(tǒng)。
圖1 自動沖床
2 .自動沖床簡介
本系統(tǒng)采用臺達(dá)新一代高性能PLC---DVP28SV11T，作為該控制系統(tǒng)的控制器，該PLC是臺達(dá)針對市場多軸傳動控制開發(fā)的PLC產(chǎn)品，可以輕松實現(xiàn)4軸200K高速脈沖輸出，支持兩軸圓弧和直線插補。
考慮到行業(yè)產(chǎn)品多規(guī)格、多品種的要求，該系統(tǒng)采用臺達(dá)DOPAE57BSTD觸摸屏作為人機數(shù)據(jù)交換的平臺，大大方便了用戶進行參數(shù)修改、監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)、故障查詢和運行操作。
進給送料的定位精度和重復(fù)定位精度是沖床系統(tǒng)的重要指標(biāo)，也是生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品和高生產(chǎn)效率的保證。送料系統(tǒng)采用臺達(dá)新一代伺服產(chǎn)品ASD-B系列，滿足控制精準(zhǔn)和高響應(yīng)性的要求。
沖床的沖壓部采用臺達(dá)VFD-M迷你型矢量變頻器控制，滿足用戶沖壓速度無級可調(diào)的要求，可以根據(jù)生產(chǎn)要求調(diào)節(jié)沖壓速度。
2.1基本架構(gòu)
自動沖床系統(tǒng)包括沖壓部、物料夾鉗、X軸送料機構(gòu)、Y軸送料機構(gòu)、變頻調(diào)速控制、伺服傳動機構(gòu)和操作臺等組成。
2.2 動作流程
手動方式：沖床的動作以步進的方式工作，每完成一個動作，按一下“啟動”按鈕，執(zhí)行下一步動作，直至沖壓整個動作完成，并停在原點位置，等待下次任務(wù)。
在手動模式下，不考慮沖頭和X軸送料的配合，屏蔽安裝在沖壓部大飛輪上的進料檢測用接近開關(guān)。該模式主要用于調(diào)試和新產(chǎn)品試產(chǎn)。
自動方式：
自動模式就是通過程序進行控制送料和沖壓的整個過程，X軸進給的控制通過安裝在沖壓部飛輪上的兩個接近開關(guān)，來檢測沖壓部運行的位置，其中一個接近開關(guān)作為沖壓完成，開始送料信號，另一個接近開關(guān)作為停止送料信號，如果X軸在此信號到來前還沒有完成送料，系統(tǒng)報警并停機，確保不產(chǎn)生次品，保證產(chǎn)品質(zhì)量。
自動模式流程見上圖，在執(zhí)行自動流程時，沖壓部是一直在工作的，X軸的送料是在沖壓部沖壓完成離開工件到下一次到達(dá)工件之間完成的，送料啟動信號是安裝在沖壓部飛輪上接近開關(guān)信號。
3.系統(tǒng)設(shè)計及選型
3.1沖壓部傳動系統(tǒng)
沖壓部采用臺達(dá)VFD-M變頻器拖動三相異步電機，功率為5.5KW，額定轉(zhuǎn)速1440轉(zhuǎn)/min。PLC通過MODBUS RS485通訊方式控制變頻器的啟動/停止和調(diào)速，參數(shù)設(shè)置和操作在HMI上實現(xiàn)。
沖壓部速度設(shè)定值，決定X軸送料的最小速度。因為X軸每次送料時間必須小于沖壓部上下往返一次的時間，否則就會拉壞工件或者沖錯位置，造成次品。
X軸送料時間（t）和沖壓部變頻器設(shè)定頻率(f)關(guān)系如下：
t = f / 50 *（60/1440） （單位：秒）
假設(shè)變頻器設(shè)定頻率為50HZ，則X軸每次送料的最大時間為0.0417秒。
3.2送料傳動系統(tǒng)
送料傳動部分采用臺達(dá)ASD-B系列交流伺服系統(tǒng)，通過1：1傳動比的帶動滾珠絲桿，驅(qū)動送料工作臺前進和后退。
X軸采用臺達(dá)小慣量1KW伺服電機，型號：驅(qū)動器ASD-B1021-A，電機ECMA-C31010ES。
Y軸采用臺達(dá)小慣量0.4KW伺服電機，型號：驅(qū)動器ASD-B0421-A，電機ECMA-C30804E7。
X軸絲桿導(dǎo)程：20mm；
Y軸絲桿導(dǎo)程：10mm；
設(shè)計要求：送料精度要求：>0.01mm；
X軸送料速度：>20米/min；
Y軸送料速度：>10米/min；
控制精度計算如下：
最小送料距離 = s / p*i
s：絲杠導(dǎo)程
p：每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)=10000Pulse
i：減速比=1
通過以下計算得出單個脈沖對應(yīng)的送料長度，即為控制精度。
X軸最小送料距離=20mm/10000*1=0.002mm
Y軸最小送料距離=10mm/10000*1=0.001mm
以上計算，X軸和Y軸的最小送料距離均小于0.01mm，滿足設(shè)計要求。
速度要求計算如下：
送料速度=f/p*s*i*60
f：控制脈波頻率(最大輸出頻率=200K)
p：每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)=10000Pulse
X軸最大速度=200K/10000*20*1*60=24000mm/min=24m/min>15m/min,滿足速度設(shè)計要求。
Y軸最大速度=200K/10000*10*1*60=12000mm/min=12m/min>10m/min,滿足速度設(shè)計要求。
以上是不采取電子齒輪比的情況下計算所得，如果采用電子齒輪比，伺服馬達(dá)工作在最大轉(zhuǎn)速（3000rpm/min）情況下，最大速度：X軸可以達(dá)到60米/min，Y軸可以達(dá)到30米/min，但是，如果采用電子齒輪比，會降低送料的控制精度。
4.PLC與HMI選型
4.1輸入信號統(tǒng)計：
X軸送料手動操作按鈕：手動向左和手動向右（2點）
Y軸送料手動操作按鈕：手動向前和手動向后（2點）
X軸和Y軸原點信號：2點（接近開關(guān)）
自動操作按鈕：自動啟動和自動停止（2點）
沖頭位置信號：上位和下位（2點）---接近開關(guān)信號（NPN）
手動夾鉗按鈕：1點
緊急停止按鈕：1點
手動/自動切換：1點（切換開關(guān)）
以上總計輸入點數(shù)：13點。
考慮到DVP28SV機種輸入點數(shù)有限（16點輸入），把X軸左右極限開關(guān)（2點）和Y軸前后極限信號（2點）直接接到伺服驅(qū)動器上，減少硬件的擴充，降低成本，同時，也提高了系統(tǒng)的安全可靠性。
4.2輸出信號統(tǒng)計：
脈沖輸出（Pulse+Sign）：4點（Y0，Y1）（Y2，Y3）
夾鉗電磁閥：1點
沖頭電磁鐵接觸器：1點
沖頭控制接觸器：1點
共7點
基于以上考慮，PLC選擇DVP-28SV11T。具體功能參數(shù)為：200Kpps脈沖輸出，16點輸入/12點輸出。臺達(dá)PLC和變頻器標(biāo)準(zhǔn)配置的RS485通訊口，滿足變頻器通訊控制的要求，也減少控制點數(shù)。
5.HMI畫面與PLC程序設(shè)計
5.1部分畫面示例：
6.2 PLC程序
主程序采用步進指令實現(xiàn)，減少誤動作的發(fā)生，簡單明了，邏輯清晰。在控制精度保證上，整個程序的運算全部采用浮點數(shù)運算，減少計算誤差，如：孔間距、Y軸進給距離、手動速度、自動送料的速度等的設(shè)定，在換算成脈沖數(shù)或者脈沖頻率的過程中，全部采用浮點運算。經(jīng)過實際驗證，計算誤差小于0.001mm。
其次，考慮到絲杠在正反運行中的背隙問題，本程序提供背隙的補償參數(shù)，根據(jù)實際情況進行調(diào)整。
考慮到操作的便利性，根據(jù)現(xiàn)場操作習(xí)慣，在手動模式下，在任何階段都可以切換到自動運行，大大方便操作。
7.結(jié)束語
本控制系統(tǒng)雖說達(dá)到預(yù)期的設(shè)計要求，但是自動化程度不是最高，用戶考慮到成本問題，上料和下料全部采用人工手動的方式。如果在上料和下料工位，分別采用氣動吸盤取料，伺服控制來控制物料的左右和上下移位，將大大提高設(shè)備的自動化程度，完全可以做到無人操作。
本系統(tǒng)主要控制元件全部采用臺達(dá)機電產(chǎn)品，一體化的整合方案，既降低了設(shè)備的制造成本，也大大提高了系統(tǒng)的安全可靠性，充分體現(xiàn)了臺達(dá)機電產(chǎn)品高性能和高性價比的特點，為客戶贏得可觀的經(jīng)濟效益
工商網(wǎng)監(jiān)
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