1、概述
　　
　　常州某凈化公司LVD—HD型剪板機由于原有電氣系統設備陳舊，對正常生產造成了極大的影響，為此急需進行技術改造。剪板機后靠系統電氣裝置的改造設計就是在這個背景下提出的，要求使用PLC、觸摸屏和伺服控制系統進行改造，完成剪板機后靠系統定位，位置參數設定及顯示。剪板機后靠系統的電氣改造將對該設備的正常生產提供良好的，提高勞動生產率，獲得良好的經濟效益。
　　
　　2、設計思想
　　
　　本系統改造主要是針對剪板機后靠系統，即設定板料剪切尺寸。系統要求采用交流伺服驅動、PLC與觸摸屏控制，實現準確定位，后靠系統的移動位置在規定范圍內可以任意設定，定位誤差小于0．2mm。系統由觸摸屏設定的剪板位置信號確定所需的剪板寬度，PLC控制輸出信號脈沖到伺服驅動器，驅動伺服電機帶動后靠系統完成剪板動作。
　　
　　3、硬件設計
　　
　　本控制系統PLC選用日本三菱FX1S-10MT-001，觸摸屏選用日本三菱F920GOT-BBD5-K-C。伺服系統采用日本安川系列伺服驅動器SGDM-10ADA和伺服電機SG-MGH-09ACA61，伺服驅動器SGDM-10ADA主要性能指標：適配電機的額定功率為1000W，電源電壓為三相220V，編碼器類型為2500P/R，伺服電機編碼器采用增量編碼器。變壓器選擇三相380V/220V，250kV-A。系統框圖如圖1所示。　　　　
　　1）系統主回路
　　
　　系統采用三相AC220V伺服電機，驅動器的U、V、W及接地端分別接伺服電機的A相、B相、C相和伺服電機
　　
　　的地線。L1、L2、L3是伺服單元三相主電路輸入端，L1c、L2c是控制電路電源輸入端。編碼器與驅動器的CN2端口相接，編碼器的C、D、H、G分別為數據傳輸和5V、0V線，分別與CN2端口的PS（5）、/PS（6）、5V（1）、0V（2）相連。實際接線以顏色區分，如圖2所示。　　　　
　　2）PLC輸入輸出電路
　　
　　系統采用FX1s-10MT可編程控制器，是一種小型化、高速度、高性能的PLC。輸入輸出（I/O）總點數有10
　　
　　個，晶體管輸出，滿足設計需要。
　　
　　設計的系統輸入輸出信號有：設定執行（X0），原點檢測（X1），采用接近開關進行控制，作為原點回歸的近點信號。伺服準備就緒（X2），剪板計數（X5）；Y0輸出端輸出脈沖控制伺服驅動，接伺服單元的CN1端口8腳。
　　
　　Y1作為方向輸出控制，后靠系統前進或是后退。Y1輸出接伺服單元的CN1端口12腳。Y2清除信號輸出，Y2輸出接CN1口的14腳，接線時以顏色區分。Y3作為報警復位信號輸出端。其中，Y2、Y3均采用低電平有效，與伺服單元CN1接口的接線如圖3所示。　　　　
　　4、伺服系統
　　
　　4.1位置控制參數設定
　　
　　PG反饋脈沖的分頻比－電子齒輪（A/B）的設定。
　　
　　本系統采用17位的增量型編碼器，編碼器脈沖數32768P/R。電子齒輪功能是指可將相當于指令控制器輸入
　　
　　指令1脈沖的工作移動量設定為任意值的功能。
　　
　　由于電氣停止精度δ=±0.001mm，因此設位置檢測單位△l=0.00lmm/pulse。電機軸與負載側的機械減速比為m/n，即伺服電機旋轉m圈，負載軸旋轉n圈。根據下式求出電子齒輪數比的設定值。　　
　　4.2伺服單元
　　
　　1）伺服單元的CNl接口及其接法作為位置指令輸入輸出接口，位置用針號有：指令脈沖輸入（7，8，11，12），偏移脈沖清除輸入（14，15），工作電源（3，13，18）。指令控制器的指令脈沖，偏移脈沖清除信號的輸出采用集電極開路輸出，其接線方式如圖3所示。
　　
　　這種接線方式利用伺服單元內置的12V電源規格，作為內部集電極開路輸出信號時，供給12V工作電源，因此不需外接電源，接線方便簡單，大大提高了系統的可靠性。
　　
　　在控制要求中，要求伺服系統準備好后方可啟動程序，通過伺服ON工作信號解除驅動器內部變頻器部分的柵極封鎖，使電機變為通電狀態。為了剪板機后靠系統不超程運行，設置兩個限位開關來禁止正轉驅動和禁止反轉驅動，同時設置報警功能。檢測到報警時，KA2繼電器OFF。圖4為CN1的通用接口電路。　　　　
　　2）伺服單元的CN2接口及其接法
　　
　　伺服單元的CN2接口是連接編碼器的端口。CN2的端子有BAT（+）、BAT（-）作為值編碼器用電池接口。C、D、H、G是伺服電機SGMGH的針號。編碼器與伺服單元的CN2接口接線圖如圖5所示。　　　　
　　5、人機界面
　　
　　為使操作簡單，更具人性化設計，為此選用三菱F920GOT，它是三菱鍵盤式F900圖形操作終端的一種，有與可編程控制器進行通信的RS422接口，使用方便，有良好的可視界面，通過與可編程控制器通信，設定加工參數（加工尺寸、加工數量），實現后靠系統擋料板參數實時顯示，同時可在操作終端上操作機器，包含點動調試、自動回零位、暫停等工作，解決了以往按鈕多，操作繁瑣的問題。
　　
　　6、軟件設計
　　
　　6.1設計思想
　　
　　根據控制要求軟件的總體設計思想：通過觸摸屏設置剪板位置、數量。當*次設定的剪板位置完成剪板數量后，后靠系統不需返回到原點位置，直接輸入第二次想要設定的剪板位置，后靠系統能自動到達所要求的位置。即前一次的剪板完成之后，位置被記錄下來，剪板機并不需要恢復到原始位置（原點位置的接近開關），而是等到下次命令時，PLC通過對剪板機后靠系統的擋板當前位置及所要達到位置進行判斷比較，發出相應的脈沖信號，控制伺服電機，調整（或進或退）后靠擋板的位置，直到所要求的位置。系統在設計的時候也考慮了可以在*次剪板完成后，先返回到原點位置，再根據下次所要求的剪板寬度，控制伺服電機，移動到所需位置。所設計的軟件流程圖如圖6所示。　　　　
　　6.2剪板定位
　　
　　后靠系統所要控制的目的就是定位，定位是整個系統的關鍵，定位的完成采用的軟件算法。應用可編程控制器完成定位的方法很多，可供選擇的指令也很豐富，其中，FNC158是相對位置控制指令。每次控制運算都是把當前位置作為基礎點，控制運算簡便。
　　
　　指令在使用過程中，當前寄存器隨輸出變化，無需設置改變，正轉時當前寄存器的數值增加，反轉時當前寄存器的數值減少。指令在執行過程中，即使改變操作數的內容，也無法在當前運行中表現出來，只在下一次指令執行時才有效，執行完成的標志是M8029寄存器。
　　
　　在執行位置控制時，可編程控制器利用自身產生的正轉脈沖或反轉脈沖進行當前值增減，并將其保存至當前寄存器（Y000：D8141，D8140）。由此，機械的位置始終保持著，但當可編程控制器斷電時會消失，因此上電時和初始運行時，必須執行原點回歸，將機械動作的原點位置的數據事先寫入。FNC165原點回歸指令。
　　
　　在執行相對位置指令時，實際能夠輸出的輸出脈沖頻率的zui低頻率數，根據公式：
　　
　　√速度（D8147,D8146）Hz•2•加減速度時間D8148•1000=輸出脈沖頻率的zui低頻率數，可以比較方便得出，如圖7所示。　　　　
　　對于輸出脈沖頻率S2，即使了低于上面計算結果的數值，仍將輸出計算值的頻率，加速初期和減速zui終部分的頻率也不低于上述結果。
　　
　　相對位置指令在執行時有相關寄存器配合作用：
　　
　　D8145：執行相對位置指令時的基底速度；
　　
　　D8147、D8146：執行相對位置指令時的zui高速度，S2的輸出脈沖頻率必須小于該zui高速度，設定范圍：10～100000Hz；
　　
　　D8148：執行相對位置指令時的加減速時間，加減速時間表是到達zui高速度D8147、D8146所需時間，因此，當輸出脈沖頻率S2低于zui高速度D8147、D8146時，實際加速時間會縮短，設定范圍：50-5000ms；
　　
　　M8145：Y000脈沖輸出停止（立即停止）；
　　
　　M8147：Y000脈沖輸出中監控。
　　
　　定位程序在執行過程中，首先要比較設定值與當前值，通過比較結果計算出輸出脈沖數參數、輸出電機旋轉
　　
　　方向參數；同時，根據設定值與當前值的相差值，設置適當的脈沖輸出頻率。程序如圖8所示。　　　　
　　6.3剪板計數
　　
　　計數采用減計數方式，通過觸摸屏寫進剪板數量D102，再將剪板數量傳人計數器C200，有信號就減l，計
　　
　　數器為零時發出信號給剪板機，同時清除相關存儲器。計數程序如圖9所示。　　　　
　　6.4原點回歸
　　
　　預先將M8140置于ON狀態，能夠在原點回歸完成時向伺服電機輸出清零信號。清零信號的輸出地址號根據不同的脈沖輸出地址號而決定，脈沖輸出Y000，清零信號輸出Y002。程序如圖10所示。　　　　
　　7、結論
　　
　　利用現代控制技術改造傳統生產設備，繼而提高傳統生產設備的加工精度、生產效率，對提高中小企業生產設備的自動化程度及其市場競爭能力是一種有效方法。本剪板機數控改造方案對原剪板機機械機構略做改動，增加數控系統和少量機構即可實現，改造周期短、投資少。實際使用證明，新系統具有精度高、性能穩定、工作可靠、操作簡單、調節方便、顯示直觀和自動保護等特點，所有指標均達到企業提出的設計要求，有效地提高了企業設備自動化程度，提高了企業的生產效率。