軟木切片機(jī)程序設(shè)計(jì)研討

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一、概述

軟木切片機(jī)是專業(yè)的軟木加工設(shè)備，主要用于把軟木切割成符合用戶需求的各種厚度薄片。是專業(yè)化程度較高的專用機(jī)床。老式的軟木切片機(jī)用棘輪機(jī)構(gòu)控制切片厚度，用老式軟木切片機(jī)加工的產(chǎn)品厚度一致性差，嚴(yán)重影響產(chǎn)品品質(zhì)。特別是加工經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的厚度在4毫米以下的產(chǎn)品時(shí)問題比較突出。為提高品質(zhì)，解決厚度一致性差的問題，在新設(shè)計(jì)軟木切片機(jī)時(shí)，我們采用了新的機(jī)械結(jié)構(gòu)，用PLC的位置控制技術(shù)完成軟木切片機(jī)的控制。采用這些新技術(shù)后，產(chǎn)品厚度做到了無級可調(diào)，最薄可穩(wěn)定加工1毫米切片。實(shí)際操作時(shí)，用戶只需直接輸入軟木切片厚度，就可完成加工。

二、軟木切片機(jī)的基本工作原理

軟木切片機(jī)的運(yùn)動(dòng)由以下動(dòng)作部件構(gòu)成：1.帶鋸片。2.X、Z十字工作臺，其中Z向?yàn)橥鶑?fù)運(yùn)動(dòng)，X向?yàn)楣ぷ鬟M(jìn)給。它的工作方式是：a.先啟動(dòng)無齒帶鋸。b.工作臺的X向前進(jìn)指定距離。c.工作臺的Z向往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次完成一個(gè)工作循環(huán)。重復(fù)b，c步驟直至整塊原料加工完畢自動(dòng)停止加工。切片厚度由每個(gè)工作循環(huán)的X向進(jìn)給量決定。根據(jù)軟木切片機(jī)的工作原理，新設(shè)計(jì)的軟木切片機(jī)X、Z向都采用絲杠傳動(dòng)，提高了機(jī)械傳動(dòng)精度，為自動(dòng)控制系統(tǒng)提供了必需的基礎(chǔ)。根據(jù)實(shí)際工作的情況，X向工作臺的進(jìn)給精度應(yīng)在0.02毫米，且可以根據(jù)需要對進(jìn)給量進(jìn)行調(diào)整才切出所需要厚度和精度的軟木片；Z向運(yùn)動(dòng)必需運(yùn)行平穩(wěn)，速度可調(diào)才能滿足切片工藝的需要。

三、電氣控制系統(tǒng)構(gòu)成

本軟木切片機(jī)的電器系統(tǒng)由以下部分構(gòu)成：1.主控制器為西門子S7-200PLC。2.采用TD200LCD文本顯示器顯示工作參數(shù)。3.X向采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)以保證足夠的精度。4.Z向采用交流異步電機(jī)和滑差調(diào)速器構(gòu)成Z向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。5.鋸片采用交流異步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。

四、功能描述

在具體進(jìn)行軟木切片機(jī)的電氣設(shè)計(jì)時(shí)，主要從系統(tǒng)的安全性、可靠性、操作的方便性以及系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性等方面綜合權(quán)衡，力求達(dá)到最優(yōu)。在本機(jī)中我們設(shè)計(jì)了如下幾方面的功能：

（一）緊急停止：在控制面板上，設(shè)計(jì)了一個(gè)紅色的緊急按鈕，其作用就是當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí)，操作人員可以立即按下這個(gè)紅色按鈕，使系統(tǒng)立即停止當(dāng)前所有的動(dòng)作，避免發(fā)生人身傷害。

（二）回零：回零操作建立了機(jī)床固定的機(jī)械原點(diǎn)便于系統(tǒng)上電后，恢復(fù)系統(tǒng)掉電前的坐標(biāo)系，提高加工效率。

（三）工作模式：在該機(jī)床的控制系統(tǒng)中，提供了三種工作模式，分別是手動(dòng)，單段和自動(dòng)模式。手動(dòng)模式主要用于調(diào)試機(jī)床，完全由操作人員通過手動(dòng)控制完成相應(yīng)的操作。單段模式是當(dāng)系統(tǒng)完成一個(gè)加工循環(huán)后，控制系統(tǒng)就暫停下一個(gè)工作循環(huán)的啟動(dòng)，等待操作者的指令。單段模式主要用于試生產(chǎn)。自動(dòng)模式就是當(dāng)系統(tǒng)正常啟動(dòng)后，系統(tǒng)就自動(dòng)地完成全部工作循環(huán)。

（四）報(bào)警：當(dāng)操作人員的操作出錯(cuò)或出現(xiàn)異常情況時(shí)，系統(tǒng)就會自動(dòng)報(bào)警，同時(shí)出現(xiàn)報(bào)警信息提示。此時(shí)，操作人員必須更正錯(cuò)誤，否則，系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。若要切削的軟木厚度超過機(jī)床允許的范圍，控制面板上的TD200顯示屏就會顯示相應(yīng)的提示信息。

五、功能實(shí)現(xiàn)

要實(shí)現(xiàn)上述的功能，在具體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)，主要是從下述幾個(gè)方面來處理：

（一）當(dāng)系統(tǒng)需要緊急停止時(shí)，具體是由軟件和硬件共同實(shí)現(xiàn)的；在PLC程序中急停出理是一個(gè)關(guān)鍵問題，它貫穿在全部處理模塊中。硬件則由電氣元件的連鎖和互鎖來控制。在最壞情況下，即使軟件完全失控硬件連鎖線路也能保證急停功能的正確。

（二）由于該控制系統(tǒng)未采用記憶機(jī)床坐標(biāo)的措施，機(jī)床關(guān)電后不能記憶當(dāng)前所在位置。所以每次開機(jī)后在，進(jìn)行操作之前必須進(jìn)行回零處理，以建立或恢復(fù)機(jī)床坐標(biāo)系。為此在機(jī)床的X軸上設(shè)計(jì)了一個(gè)回零開關(guān)。該功能由程序（SBR2）來實(shí)現(xiàn)此功能。

（三）系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制是軟木切片機(jī)的核心部分，其涉及到Z軸電機(jī)控制和X軸步進(jìn)電機(jī)控制。1.Z軸電機(jī)控制。Z軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用了普通Y系列交流異步電機(jī)，為降低成本沒有采用變頻調(diào)速方案。未避免Z軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)頻繁換向，導(dǎo)致電機(jī)過載，工作臺Z向的換向采用了兩只電磁離合器實(shí)現(xiàn)。工作臺Z向調(diào)速采用了滑差調(diào)速器。其控制由子程序（SBR5）來實(shí)現(xiàn)。2.X軸步進(jìn)電機(jī)控制。X軸步進(jìn)電機(jī)的控制相對比較復(fù)雜，包括以下內(nèi)容：（1）手動(dòng)操作模式中：為保證在手動(dòng)進(jìn)給指令取消后X軸步進(jìn)電機(jī)能按預(yù)定減速速率運(yùn)行以保證不丟步，在程序中采用了中斷處理。由子程序（SBR0）來實(shí)現(xiàn)中斷處理。（2）單段/自動(dòng)模式控制：根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)對X軸、Z軸的進(jìn)給控制，完成整個(gè)加工過程的工作循環(huán)。運(yùn)動(dòng)步驟為：a.X軸進(jìn)給指定厚度。b.Z軸正向前進(jìn)直到壓下正限位開關(guān)然后Z軸反向。C.Z軸負(fù)向前進(jìn)直到壓下負(fù)限位開關(guān)然后執(zhí)行a步。單段/自動(dòng)模式控制主要由子程序（SBR4）來實(shí)現(xiàn)。（3）參數(shù)設(shè)定：根據(jù)用戶的需要，可進(jìn)行相關(guān)的參數(shù)設(shè)定，參數(shù)的設(shè)定包括兩方面：一是厚度的設(shè)定，二是步進(jìn)電機(jī)速度的設(shè)定，其中厚度的設(shè)定可通過控制面板上的TD200相應(yīng)的控制按鈕進(jìn)行，設(shè)定范圍是在0.1~199.9mm之間，而步進(jìn)電機(jī)的設(shè)定有幾個(gè)速度檔位可供選擇，分別是100、200和400，單位是mm/min，由子程序（SBR9）來實(shí)現(xiàn)。（4）工藝顯示：工藝顯示就是在屏幕上顯示當(dāng)前運(yùn)行何種工藝。當(dāng)Z軸正方向運(yùn)行時(shí)，顯示的工藝是進(jìn)刀，當(dāng)Z軸反方向運(yùn)行時(shí)，顯示的工藝是退刀；X軸的進(jìn)給運(yùn)行也作相應(yīng)的顯示，由子程序（SBR10）來實(shí)現(xiàn)。（5）脈沖處理：其功能就是處理當(dāng)前的結(jié)束脈沖，響應(yīng)終端請求，其與中斷請求是相配合使用的，由子程序（INT0）來實(shí)現(xiàn)。（6）X軸坐標(biāo)計(jì)算：步進(jìn)電機(jī)每走一步是0.75mm，走完一圈為360/0.75=480步，因?yàn)橄到y(tǒng)的導(dǎo)程是8mm，每走完1mm需要480/8=60個(gè)脈沖，這樣，用戶設(shè)定需要的厚度后，PlC可算出所應(yīng)該發(fā)的脈沖，該部分由子程序（SBR11）來實(shí)現(xiàn)。例如，設(shè)定厚度為2mm，那它就需要120個(gè)脈沖來完成，發(fā)480個(gè)脈沖，厚度就顯示8mm，其計(jì)算公式是：厚度=已發(fā)脈沖數(shù)/60（單位：mm）（7）寫步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)：有兩種方法來完成脈沖的發(fā)送：多段脈沖方式或單段脈沖方式。在單段/自動(dòng)模式步進(jìn)電機(jī)寫參數(shù)中采用多段脈沖方式，在多段脈沖方式中，CPU自動(dòng)從V存儲器區(qū)中讀出每個(gè)脈沖段的特性。在該方式下，僅使用特殊寄存器區(qū)的控制字節(jié)和狀態(tài)字節(jié)。選擇多段操作，必須裝入起始V存儲器區(qū)的偏移地址，時(shí)間基準(zhǔn)選擇微秒或毫秒，所有的周期必須使用一個(gè)基準(zhǔn)，多段操作使用PLC指令來啟動(dòng)。圖1步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用的周期脈沖圖多段脈沖方式是按照每個(gè)脈沖的個(gè)數(shù)自動(dòng)計(jì)算增減周期。

在周期增量區(qū)輸入一個(gè)正值將增加周期；輸入一個(gè)負(fù)值將減少周期，輸入零將不改變周期。可用圖1來說明：圖1說明根據(jù)用戶要求產(chǎn)生輸出波形，使電機(jī)運(yùn)行歷經(jīng)加速、恒速和減速這幾個(gè)階段。假設(shè)需要2000個(gè)脈沖才達(dá)成要求的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)目，啟動(dòng)和結(jié)束的周期是500us，最大周期是100us，在輸出的加速段部分，要求在100個(gè)脈沖左右達(dá)到最大脈沖周期，在減速段需要200個(gè)脈沖來完成，這些工作由子程序（SBR8）實(shí)現(xiàn)。在上圖中，可以采用一個(gè)公式計(jì)算來調(diào)整每個(gè)脈沖周期所使用的周期增量值：給定段的周期增量=（該段周期結(jié)束時(shí)間-該段初始周期）/該段的脈沖個(gè)數(shù)（8）手動(dòng)步進(jìn)電機(jī)寫參數(shù)：采用單段脈沖方式完成手動(dòng)步進(jìn)電機(jī)寫參數(shù)，具體實(shí)現(xiàn)過程如下：圖2步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用的周期-脈沖圖按照圖2來單段發(fā)送脈沖式，選擇的是手動(dòng)工作模式，當(dāng)手動(dòng)按住第一段不放，等100個(gè)脈沖發(fā)送完成，就停止發(fā)送脈沖，此時(shí)，步進(jìn)電機(jī)就執(zhí)行減速第七段運(yùn)行，同理，第二段和第六段，第三段和第五段也遵循以上的規(guī)律。這樣，就可以根據(jù)所發(fā)的脈沖數(shù)，控制X向平穩(wěn)運(yùn)行。采用手動(dòng)方式進(jìn)行操作，雖然簡單，卻能滿足用戶調(diào)試設(shè)備的要求，該功能由子程序（SBR7）來實(shí)現(xiàn)。（9）報(bào)警處理：當(dāng)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)誤操作或其它問題時(shí)，系統(tǒng)會進(jìn)行報(bào)警提示。具體實(shí)現(xiàn)由子程序（SBR1）來實(shí)現(xiàn)此功能。圖3梯形圖由于篇幅有限，在此文中，展示部分模塊的梯形圖。

六、結(jié)論

軟木切片機(jī)的控制主要由以上各種功能實(shí)現(xiàn)，每種功能都有相應(yīng)的梯形圖控制程序，通過PLC來進(jìn)行控制，操作人員只需在操作面板上進(jìn)行簡單的操作，系統(tǒng)就會有相應(yīng)的動(dòng)作，完成符合工藝要求的加工動(dòng)作，，用戶可以根據(jù)自己的產(chǎn)品需求，將軟木切成需要的厚度。這為用戶帶來了極大的方便，具有很好的市場前景和經(jīng)濟(jì)效益。該設(shè)備已經(jīng)投入正式運(yùn)行兩年，運(yùn)行效果良好。