金刚线生产线同步控制系统的设计
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【摘要】：本文基于金刚线生产线的同步控制。金刚线是金刚石切割线的简称。大体上是把金刚石的微小颗粒镶嵌在金属线上，做成金刚石切割线。本文主要针对金刚线生产线系统中的同步控制，采用PLC控制多伺服电机同步系统的设计。同时通过旋转编码器采集数据来确定同步效果，并通过采集的数据对电机的转速进行调节，采用触摸屏人机界面，实现理想的生产线同步控制。
【关键词】：金刚线PLC伺服电机旋转编码器触摸屏
中图分类号： TP273
金刚线是金刚石切割线的简称。大体上是将金刚石的微小颗粒镶嵌在金属线上，做成的金刚石切割线。工业上有许多东西是用金刚线切割的，如晶硅切片、石英钻石等硬质材料等。金刚线具有金刚石的微型锯齿，增加了切割能力，可以大大地加快切割速度。
与传统的钢线和砂浆切割方式相比，金刚线切割机具有许多优点：高速切割，环保生产，成本低廉，设备实际使用功率减小，提高设备使用寿命等等。目前采用传统钢线切割还属于主流，但随着对生产技术要求不断提高，传统钢线切割已经大大制约了生产发展，新型切割线面世显得尤为重要。
电镀金刚石线是用电镀的方法在金属丝（线）（基体）上沉积一层金属（一般为镍及镍钴合金）并在沉积的金属内固结金刚石磨料制成的一种线性超硬材料工具。金属镀层是结合剂，金刚石磨料用于切削加工。电镀金刚石线锯根据需要可制成不同的直径和长度；线锯可以装在不同的设备上形成不同的加工方式，如往复循环（锯架）式、高速带锯式、线切割式等。对硬脆材料的加工, 线锯不仅可以切割薄片, 也可加工曲面, 更可以用于小孔的研修,其应用前景十分广阔。
金刚线生产线的主要工艺流程有：放线、碱洗、水洗、酸洗、预镀镍、上砂、加厚镍、收线等过程。预镀镍、上砂、加厚镍及收线过程之间需要电机控制。
根据金刚线生产线的生产需要，作出如下设计：
图1 金刚线生产线控制流程示意图
该系统对同步控制要求非常高，要求各部分严格同步以免超出金属线的抗拉强度、抗弯强度、疲劳强度使金属线的金相组织受到损坏。如此高同步需要有定位控制系统来控制多部能可使控制速度，位置精度非常准确的转动的电机。对于控制系统来说，采用FX3U系列的PLC可很好满足要求，它具有可调速脉冲输出的功能以及可以根据输入量而改变输出量的PID运算功能，能够做为很好的控制器。而系统需要控制速度，位置精度精确，伺服电机可以担当重任。伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出，伺服电机可以在系统中担当控制速度的电机。此外为了协调系统各部分之间的速度可通过旋转编码器来采集数据以便控制器伺服电机的速度变化。为便于人机交互和调试系统，系统采用了触摸屏人机界面进行。
整体的系统结构如图所示：
图2 系统结构图
1、PLC控制系统：
本系统采用FX3U-16MT作为控制系统，它控制了三个完全相同的伺服驱动器及两个旋转编码器数据接收处理和与触摸屏的通信。FX3U-16MT与触摸屏之间用RS422进行通信，而采集两个旋转编码器通过扩展输入（FX2N-16EX）直接连接的，下面为PLC与各模块接线图。
图3 PLC输入端电气图
图4 PLC输出端电气图
PLC编程采用GX Developer 编程软件。
2、伺服系统：
伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。
本系统采用了三个完全相同的伺服电机。每个伺服电机需要一个伺服驱动器即本系统有三个完全相同的伺服驱动器。每个驱动器的电气连接基本相同，不同之处是三个驱动器连接PLC的Y接口不同：一号驱动器连接Y0和Y3，二号驱动器连接Y1和Y4，三号驱动器连接Y2和Y5。
3、旋转编码器是用来测量转速的装置，光电式旋转编码器通过光电转换，可将输出轴的角位移、角速度等机械量转换成相应的电脉冲以数字量输出。
基于本系统的性能及成本考虑选用欧姆龙的E6CP-AG5C。该编码器的分辨率为256，足以满足本系统的设计要求。它具有高精度地检测各种自动机械的动作、以格雷码的形式输出等特点。
由于PLC的接口个数不够，需要扩展接口模块来扩展。由于本系统需要两个旋转编码器，即需要16个扩展接口，选择FX2N-16EX做为扩展模块。
4、人机界面的选择
人机界面作为系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。为便于人机交互和调试系统，系统采用了触摸屏（三菱F940）人机界面进行。F940通过RS422连接到PLC上，触摸屏软件选用GT Designer2。
本文所设计的金刚石切割线自动生产线系统，利用PLC控制多伺服电机实现同步，保证的金属线的组织不受损坏。触摸屏的引入，提高人机界面的直观性与操作的方便性。最终通过了解工艺、硬件设计、软件设计，实现了对系统同步的控制，对位置数据的采集，人机交互，达到了比较理想的效果。