王大勇

（恒天重工股份有限公司，河南 郑州 450001）

1 QDC-1气动冲床介绍

QDC-1气动冲床是一款用来进行管状材料两端冲制矩形孔的专机，该专机在机械设计上采用了气动肌腱新技术，利用压缩空气通过大流量气阀控制肌腱机构输出行程和力量，从而简化了机械结构，消除冲头动力部分的机械接触和摩擦，提高了能量转化率。矩形孔在圆周上的孔距通过伺服电机配合高精度减速机进行分度，设备在PLC位置控制功能指令及程序控制下完成工件圆周12个等分矩形孔的分度和冲制。

2 PLC位置控制功能介绍

PLC位置控制功能是将NC定位控制器和PLC逻辑控制器结合在一起，从而免去了PLC和NC之间数据交换的外部连线，简化硬件结构及程序控制结构，降低了成本。PLC、伺服驱动器及伺服电机构成一个微型位置控制系统，其原理是NC位置定位功能指令通过PLC发出高速脉冲信号，经伺服驱动器脉冲细分控制伺服电机运行到达指定位置，在伺服电机位置编码器参与下系统形成半闭环位置控制，从而达到较高的位置控制精度。这种方式简单易控，精度较高，抗干扰能力强，成本低廉，可用于很多需要简易位置控制的专用机械，目前在大多数PLC上得到运用。

3 电气控制原理图I/O配置及功能设计

根据QDC-1冲床电气控制原理图I/O配置（9个输入点，4个输出点，其中输出点需要2个高速脉冲计数器输出）及功能设计，对PLC选型为FBs-20MCTSINK，图1为电气原理示意图。

3.1 I/O定义

X0：工件回零点开关，X1：编码器Z相零位脉冲，X2：回零按钮，X3：手动单冲按钮，X4：驱动准备好信号，X5：冲头上死点和压缩空气压力检测，X6：工作启动，X7：暂停，X8冲头下死点。

图1 电气原理示意图

Y0：高速计数器正向输出（120KHz），Y1：高速计数器反向输出（120KHz），Y3：伺服使能打开，Y4：电控气阀控制。

3.2 功能设计

（1）伺服驱动器和伺服电机选用ANSWER系列，电气参数调整（电子齿轮比、最大速度、增益、反向间隙等）不在这里叙述。

（2）NC定位伺服指令设定如表1所示。

表1 伺服参数表

主要参数说明：参数0→“1”时，程序内所使用的行程与速度设定值都被指定以Pules为单位。参数1→900，为电机编码器每转输出900个脉冲。参数6→10000，回零时，当回零挡块X0生效时，PLC输出10KHz频率驱动电机运行。参数9.0→“0”时，输出正转脉冲，参数9.1→“0”时，按原点回归方向继续运行。参数15.0→“X0”，零位开关输入点定义为“X0”，参数15.1→“X1”，编码器零脉冲信号输入点定义为“X1”上升沿。参数17→1，定义零脉冲到来时，寻找1个零脉冲信号作为零点标志位。

（3）回零指令设定：图2为伺服参数表写入指令，图3为回零指令。

图2 为伺服参数表面写入指令

图3 回零指令

PLC上电M1924将定位伺服参数表里R500-R523的设定值写入FUN141.MPARA定位程序参数表设定指令里，FUN141指令配合FUN140NC定位高速脉冲输出指令使用，M1924为PLC上电第一次扫描脉冲，属于PLC特殊继电器定义。在指令运行中若出现参数错误，该指令输出错误代码，错误代码放入错误码缓存器R4060中，回零速度指令赋值，SPD40000DRVZ,MD2，MEND。注释：指令以40KHz的脉冲频率以MD2前缘回零方式接近机械零位开关X0，然后以DRVZ指令完成回零。DRVZ指令是该PLC为简化回零程序结构单独开发出来的特殊指令，配合FUN141.MPARA参数表指令使用，总共提供MD0、MD1、MD2三种回零方式，这里选择MD2前缘方式，回零时序图如图4所示。

图4 MD2前缘回零时序图

（4）零点偏置指令设定：SPD6000DRVADR,+14900，PSMEND.注释：指令以6kHz的脉冲频率正向移动14900个脉冲单位（编码器当前零刻线位置到机械初始位置的脉冲数），使机械位置找正，图5为回零偏置控制程序。

图5 回零偏置

当回零定位指令完成，M105电气回零完成信号上升沿到来时，执行该指令，完成零点偏置，这时M102机械回零完成置“1”，此时整个设备回零动作完成，并保持在一个上电周期内只完成一次回零动作，图6是回零动作时序图。

图6 回零时序图

（5）循环控制指令设定：SPD100000DRV,+,30000，PSWAITTIME,200GOTONENT。注释：指令以100kHz脉冲频率正向移动30000个脉冲单位，然后等待2秒执行下一动作。M1922是系统1秒定时脉冲输出，其作用是在步距完成后启动冲头动作，在气压临界低点时，若第一冲未冲透工件，在第二个一秒到来或气压补足时冲第二冲，保证将工件冲透，圆周等分12个孔，孔距30000个脉冲单位，在计数器C1、C2配合下完成12个冲孔循环，图7为步距控制程序。

（6）冲孔计数器：C2计数器用来检测冲头下死点X8下降沿到达信号，信号到达表示工件冲透，冲孔运行指令使工件旋转到下一冲孔位置，同时C2计数器的置位与复位用来限制循环指令在未冲透工件时的运行，图8为计数器程序。

图7 步距控制

每当冲孔完成执行一次，M61使计数器C1累计，直到计数12次完成，C1输出置'1'使计数器复位，同时使M70停止，循环结束，这时设备完成一个工件的制作。图9是工件冲制动作循环时序图。

图8 计数器程序

图9 循环时序图

（7）运行保护：程序如图10。

图10 运行保护

工作循环中若出现气压不足或上死点传感器和下死点传感器位置不正常及损坏，这时运行保护会等待2秒使系统停止运行，运行保护程序保证了设备在非正常情况下工件转动及冲头启动误动作，保证了设备安全及工件意外损坏。在冲头冲下到回位时间不会超过1秒，因此在冲制过程中会出现X5、X8信号同时不到位的情况，但时间很短，不会造成运行保护动作。

4 结语

利用PLC上NC定位伺服指令和NC高速脉冲输出指令结合伺服驱动器及伺服电机实现对设备的自动化控制，极大的提高了生产效率，减少了该工件加工的人工使用量，降低了劳动强度，减少了污染排放，节约了生产场地，为企业带来了可明显的经济效益。但是该套系统配置应用在冲床设备上，会使伺服电机内置编码器易受到震动干扰，偶尔会造成运行精度误差，所以在设备机械结构设计方面需要考虑这方面的因素，尽可能消除震动。PLC位置定位功能在该设备上的运用，降低开发成本，简化了硬件配置及控制程序，缩短了设备在机械设计和零件加工方面的制造周期，方便了用户的使用及维护。