结合plc和电子凸轮对传统芯柱机的改进
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【摘要】为了符合现代人们的需要，生产出高质量的灯管，要对原有的芯柱设备进行改进。本文论述了对芯柱机电气控制系统部分的设计与实现，主要阐述了利用电子凸轮代替传统芯柱机使用的机械凸轮，配合PLC以实现对芯柱机的控制。本文就编码器、电子凸轮控制器和PLC的选择，系统控制方法及具体的PLC编程方法作了详细的说明。改进后的控制系统具有操作简便、维修方便、控制精度高等特点。下面将对设计过程进行较详细地阐述。
【关键词】PLC;电子凸轮控制器;绝对值编码器;芯柱机
1.引言
随着科技的发展，现代对于一台设备的要求不仅仅是把一个工件完成，而是一台设备如何更方便，更安全，更高精度地运转起来。对于芯柱机来说，原来使用的机械凸轮无论在安装上还是在调节上都比较繁琐。现在对芯柱机的控制系统就安全操作、角度显示、简便的凸轮控制、更高精度的动作控制等方面考虑改进，传统的机械凸轮设计肯定要被淘汰。本文设计用一个编码器和一个电子凸轮控制器可以形成一个完整的电子凸轮，配合PLC可以精准地完成所需的各个工位动作。有了电子凸轮控制器的加入使得凸轮角度实时可见，可以很方便地调节角度，编码器的使用也会使角度控制变得更加精准。
图1 以三菱FX2N-8MR为例的控制接线图
2.硬件选择及通信
首先是编码器的选择，由于芯柱机的工位比较多，各工位的动作也比较复杂，所选的编码器必须要有比较高的分辨率，用以实现精准地定位。现编码器基本分为两大类：绝对值式和增量式，绝对值编码器读出的信号可以是格雷码等的数字信号，其错码的几率很小，抗干扰的能力也比较强，其由机械位置决定的每个位置是唯一的，无需记忆，无需找参考点，而增量式的编码器在调节上比较繁琐，操作中经常要先找参考点，比较麻烦，精度也不高。所以本设计选用的是KOYO的绝对值编码器。PLC选用三菱的FX-2N系列，配合编码器的使用电子凸轮控制器选为KOYO的FC系列，PLC和电子凸轮控制器的具体的型号（即输入输出点的个数）要根据各芯柱机具体的动作多少来决定。编码器和电子凸轮控制器通过一个信号线相连，电子凸轮控制器从编码器接收信号进行解码运算处理并按照要求在指定位置将电平信号进行设置并输出。电子凸轮控制器的电平输出则当做PLC的输入X点。这里如果绝对值编码器直接与PLC相连，就必须专门为格雷码与自然二进制码的转换编写一段程序，而且一旦有了工位角度有偏差这种问题时就必须用手持编程器或计算机去修改PLC程序，比较麻烦，有了这个电子凸轮控制器可以更好地实现人机交互，角度修改可以直接在控制器上完成，直观有效，方便调试。这个控制系统的具体接线如图1所示。
24V直流电压由开关电源提供，150、151则表示220V交流电压，X点表示PLC输入点，Y点是PLC的输出点K00、K01等则是各接触器或是继电器的线圈，PLC通过控制线圈得电与否来控制线路的通断。
3.硬件的具体使用
本设计选用的是光洋TRD-NA360绝对值编码器，它的分辨率是31～2048分/转，可以满足芯柱机的精度要求。芯柱机动作主体是由驱动电机驱动芯柱机圆盘转动，并通过凸轮带动，编码器与机械齿轮同轴安装，输出信号与齿轮转速成正比，反应弯管机的实际运行位置，旋转的圆盘每转过一个工位，编码器的角度就转过360度，编码器产生信号经过控制器开始编译一组数据给PLC处理来控制动作的完成。由于其工序繁多，数据变换比较快，但其使用的格雷码有很高的准确度。这款绝对值编码器用的是二进制格雷码，格雷码只是一种数字排序，没有大小，不能进行算数运算，也不能转换成其他信号，在数字系统只能识别0和1，所以之后还必须把二进制格雷码转换成自然二进制码，但是用自然二进制码的编码器虽说可以直接进行数/模转换，但是当自然二进制码变换的位数较多时，数字电路就会产生比较大的尖峰电流，此电流的产生会大大地缩短电器的使用寿命，为了避免这个弊端，用格雷码制的绝对值编码器来代替自然二进制码的编码器。
原先格雷码的转换要通过PLC编程来实现，现在通过电子凸轮控制器就可以很好的完成这个译码的工作，而且其输出的直接是电平信号，可以直接被PLC识别使用，不需要额外编写程序。电子凸轮控制器除了有译码的功能之外还有角度显示功能，可以实时监测角度和动作位置。当动作不准确时，可以在控制器上直接修改角度使动作达到要求，这样出现类似问题就不用很麻烦地去修改PLC里的程序。
至于电子凸轮控制器的选择就是看芯柱机的工位动作有几个，需要控制几个气缸等工艺要求。经我观察和分析，芯柱机配合传送带需要设置28个工位位置角度（具体每台芯柱机的工艺不同也有微小不同）所以本设计选用KOYO FC-320，可以稍微留有些余量，方便可以在日后的工艺改进过程中不必再更换新的控制器。PLC的选择理念跟控制器的差不多，切实了解芯柱机的各个工序动作后，各个开关按钮输入，传感器输入，加上电子凸轮上的28个点我选用的是三菱FX2N-64MR。PLC有许多的扩展模块，小幅增加工艺动作时完全可以用增加PLC扩展模块来实现。
4.PLC程序编写
在PLC编写程序，除了必要的开关按钮，传感器，急停等输入的基础程序编写，现既然用到编码器和电子凸轮控制器就必须要在PLC中编写相应的角度比较指令，如图2所示。
所谓的角度比较就是当前的角度与你希望其动作的位置角度做比较，以此来判断是否要进行动作。现单就芯柱机的移位指令举例说明：D200和D201为设定的角度（通过电子凸轮控制器可以很简便的来设定），D100为芯柱机当前到达的位置角度，这是根据芯柱机的转动而实时变化的。如图2所示的这个移位指令就是通过一系列的角度比较来实现机械动作的完成。下面我具体解说下这个语句的意思。
图2 角度比较指令
第一行语句的意思就是当前芯柱机角度D100大于等于设定的D200小于等于D201，且角度D200要小于D201时辅助继电器M200得电执行移位动作，第二行是当角度D100大于等于角度D200且角度D200大于角度D201时移位，第三行是当D100的角度直接大于D200的角度时，直接执行移位操作。简单地理解就是芯柱机旋转的角度到达一定范围时就会执行相应的动作，而这个执行动作的角度就是操作者根据设备的需求而设定的。当然芯柱机的动作是比较复杂的，使用的角度比较指令肯定不仅仅只是一个移位指令，其它工位的动作指令编写大同小异，区别就是角度上的设定不同。要想控制精准，在角度设定上就要进行周密的分析和计算，以便达到理想的控制效果。
5.设备调试
程序设计完成后，在设备投入生产之前必须进行具体的调试工作，调试的时候要结合电气部分和机械部分，主要调节电子凸轮控制器上控制的各机械动作的动作时间，调试的步骤如下：
（1）将编写好的plc程序写入PLC，并使PLC与电子凸轮控制器交互。
（2）打开高压空气，调节压力控制器的压力。
（3）确定电机的转向。
（4）确定编码器的转向、原点，修改PLC程序。
（5）在电子凸轮控制器输入各工位动作的动作角度直至达到控制要求。
由于芯柱机工位较多，实际的调试过程很繁琐，任何一个工位动作的偏差都可能导致最后产出的芯柱不符合要求，需要通过大量的时间调试和改善以保证产品达到要求的质量水平。
6.结束语
本设计通过绝对值编码器和电子凸轮控制器的结合，配合PLC控制芯柱机，可以很好地通过角度的设置实现对工位动作精准地控制。本文设计的控制系统对于多工位的控制系统具有较好的优化作用。其中使用电子凸轮控制器完成角度调节方便快捷，经济实用。整个控制系统具有较高的稳定性和自动化程度，较之前的控制系统有安全实用，便于维修和改进，控制精度高等优点。
参考文献
[1]许，王淑英.电器控制与PLC控制技术[M].北京：机械工业出版社，2005.
[2]FX2N系列微型可编程控制器使用手册[S]2008，10.
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[4]詹友刚.AutoCAD 2007快速学习教程[M].北京：机械工业出版社，2007，6.