（仰恩大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，福建 泉州 362014）

三相鼠籠異步電機的轉(zhuǎn)子由鋁合金和硅鋼片兩種材料制備，由于不同金屬的硬度不一樣，因此在對轉(zhuǎn)子進行加工車削時容易產(chǎn)生較多的金屬毛刺. 這些金屬毛刺在電機運行過程中不僅導(dǎo)致電磁噪聲，而且產(chǎn)生機械摩擦損耗，嚴(yán)重時甚至造成電機損壞. 可以通過更換加工刀具和修改加工程序比如大幅提高切削速度的辦法來減少轉(zhuǎn)子的金屬毛刺. 但這樣不僅增加生產(chǎn)成本，而且大幅降低生產(chǎn)效率. 簡金權(quán)[1]用一種化學(xué)方法處理金屬毛刺，有效消除了轉(zhuǎn)子毛刺，但這種方法需要嚴(yán)格控制腐蝕液的處理流程，過程復(fù)雜且不便操作，處理不當(dāng)易造成環(huán)境污染. 本文采用機械拋光的原理來處置轉(zhuǎn)子的金屬毛刺，為此設(shè)計了一種由可編程控制器控制的面向電機轉(zhuǎn)子的自動拋光機.

1 轉(zhuǎn)子拋光機組成結(jié)構(gòu)與設(shè)計要求

本文設(shè)計的轉(zhuǎn)子拋光機通過自動上料裝置和 PLC控制完成表面拋光處理，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，主要由控制部件和執(zhí)行部分兩部分組成.

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，由自動送料裝置將待加工的轉(zhuǎn)子送到轉(zhuǎn)子夾具，經(jīng)過動力滑臺送進拋光倉，拋光倉的開閉由光幕感知部件控制；拋光裝置由兩臺拋光電機組成，電機軸帶動裝有拋光刷頭的鋼絲輪運轉(zhuǎn)，當(dāng)電機工作時，實現(xiàn)拋光刷對電機轉(zhuǎn)子表面的拋光操作；由步進電機控制的拋光滑臺通過 PLC程序控制對拋光刷與加工轉(zhuǎn)子施加不同壓力以達到理想的拋光效果. 吸塵器主要將拋光過程中產(chǎn)生的金屬顆?；蚍坌嘉龉ぷ髋_再由拋光倉排出. 拋光臺配有光學(xué)顯微鏡可以實時觀測拋光效果，對未達到拋光效果的轉(zhuǎn)子可通過觸摸屏控制程序重復(fù)拋光操作. 拋光系統(tǒng)的參數(shù)主要由拋光刷頭參數(shù)和控制參數(shù)兩部分組成，具體見表1.

圖1 轉(zhuǎn)子拋光機系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

表1 拋光系統(tǒng)參數(shù)列表

2 PLC選型及系統(tǒng)控制方案

三菱FX系列PLC廣泛應(yīng)用于運動控制系統(tǒng)中[2-5]，本設(shè)計選擇三菱的FX系列觸摸屏一體機，其主要優(yōu)勢在于節(jié)省硬件資源與空間；此外，F(xiàn)X2S一體機在運動控制與離散控制方面有相應(yīng)的功能指令，能夠?qū)崿F(xiàn)運動控制過程中的準(zhǔn)確定位（控制步進電機、伺服電機可以實現(xiàn)更準(zhǔn)確的精度優(yōu)勢）.

PLC程序編寫在考慮功能實現(xiàn)的同時，要能夠保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性. 系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求程序設(shè)計時要盡量簡化，避免系統(tǒng)延時造成的精度誤差，同時要注意PLC程序設(shè)計時的各種互鎖、聯(lián)鎖與誤操作保護等. 軟件設(shè)計上，在考慮功能實現(xiàn)的同時，把各種安全因素也考慮進去，形成一套較為完整的PLC控制系統(tǒng)，設(shè)計流程如圖3所示.

圖3 轉(zhuǎn)子拋光機系統(tǒng)設(shè)計流程圖

2.1 I/O地址分配

PLC程序設(shè)計的重要步驟是根據(jù)系統(tǒng)控制要求，確定系統(tǒng)所需要的輸入、輸出點數(shù)（I/O點數(shù)），同時分配對應(yīng)的軟元件觸點. 本設(shè)計根據(jù)轉(zhuǎn)子拋光機系統(tǒng)的控制要求寫出I/O地址分配如表2所示.

表2 I/O地址分配表

2.2 拋光電機控制

轉(zhuǎn)子拋光電機使用兩臺步進電機協(xié)同配合控制，由PLC功能指令輸出脈沖信號控制步進電機旋轉(zhuǎn). PLC擁有的高速脈沖信號源輸出指令，并通過控制脈沖頻率以控制步進電機的轉(zhuǎn)速、控制輸出的固定脈沖數(shù)來實現(xiàn)定位控制.

三菱PLC[PLSY]指令為脈沖輸出，用來驅(qū)動步進電機或伺服電機，[PLSY]指令有兩個源操作數(shù)[S1,S2]和一個目標(biāo)地址操作數(shù)[d]，S1指定脈沖頻率，S2指定脈沖數(shù)，d指定脈沖輸出元件符號[6-8]. [PLSY]指令可以直接調(diào)用，用軟開關(guān)調(diào)用方式如圖4所示.

圖4 PLSY指令調(diào)用方式

當(dāng) X000閉合時，執(zhí)行脈沖輸出指令 Y000輸出的頻率為S1值（1000 Hz），步進電機以頻率1000 Hz運轉(zhuǎn). 輸出脈沖個數(shù)由數(shù)據(jù)單元 D0決定，D0可以手動設(shè)置或程序賦值，輸出脈沖數(shù)達到D0值后，Y000停止輸出，步進電機停止轉(zhuǎn)動. 同時，M8029輸出標(biāo)志位置1作為下一段程序啟動的始點[9-10]. 輸出標(biāo)志位于啟動梯形圖程序輸出脈沖占空比50%處，輸出控制與掃描周期無關(guān).

PLC脈沖輸出必須由內(nèi)部晶體管控制，繼電器輸出無法滿足高速脈沖的要求，因此，脈沖輸出可以選 Y000或 Y001口，轉(zhuǎn)速控制可以在程序中修改源操作數(shù)S1，程序在下一輪運行到這條指令時生效，程序設(shè)計最高轉(zhuǎn)速上限頻率為100 kHz，超出頻率范圍系統(tǒng)將鎖定一固定頻率.

2.3 保護控制

PLC轉(zhuǎn)子拋光機設(shè)計的重點是保障運行的穩(wěn)定性. 機械故障或者人為的誤操作將會造成巨大的損失. 本系統(tǒng)配有故障急停按鈕，啟動誤操作的控制程序如圖5所示.

圖5 誤操作控制程序

啟動誤操作控制程序中，采用輔助繼電器M21來監(jiān)視程序運行中一個正常拋光工序是否完成，未完成時M21是斷開狀態(tài)，啟動開關(guān)X000、X001觸發(fā)無效；只有當(dāng)一個加工工序完成后，啟動開關(guān)觸發(fā)才能執(zhí)行新的一輪拋光工序. 程序也設(shè)計了各個行程開關(guān)、傳感器的邏輯關(guān)系，出現(xiàn)機械故障將自動觸發(fā)急停程序.

2.4 系統(tǒng)返回程序設(shè)計

為保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，拋光機在一個運行周期內(nèi)要設(shè)計原點返回控制，本設(shè)計的返回程序控制如圖6所示.

本程序中輔助繼電器M20為單次觸發(fā)自恢復(fù)，M21為單次觸發(fā)并帶自鎖，程序設(shè)計了復(fù)位的開關(guān)信號以對未復(fù)位的執(zhí)行部件進行回原點操作. 最重要的是兩臺步進電機的歸位控制. 若拋光動力滑臺不在原點處，執(zhí)行向下運動的動作，在下限位開關(guān)動作后停止向下走程序并斷開步進電機的脈沖輸入，實現(xiàn)步進電機的歸原點過程.

3 系統(tǒng)仿真測試

程序編譯通過后，在“GX Works2”菜單中選擇“調(diào)試－模擬”開始，軟件自動調(diào)用仿真程序進行寫入操作，并自動運行程序，監(jiān)視PLC運行狀態(tài). 在彈出的“GX Simulator”窗口中，動作的元件觸點和常閉觸點以藍色為標(biāo)記，并實時監(jiān)視運行狀態(tài)[11-12]. 用戶可以根據(jù)需要通過調(diào)試窗口更改元件的當(dāng)前值狀態(tài)，也可以進行強制觸發(fā)或復(fù)位操作.

GX Works2軟件啟動仿真調(diào)試，在梯形圖或SFC狀態(tài)流程圖界面用藍色標(biāo)記軟件元件、狀態(tài)符號的運行情況. 同時，監(jiān)視界面還會顯示定時器、計數(shù)器、數(shù)據(jù)存儲單元的當(dāng)前值，對于高速存儲器、計數(shù)器軟件不監(jiān)視其狀態(tài).用戶在進行仿真調(diào)試過程中，可以借助軟元件測試功能強制更改各 I/O口狀態(tài)，以方便用戶不借助外圍設(shè)備對系統(tǒng)進行操控.

圖6 系統(tǒng)返回控制梯形圖

經(jīng)實驗測試，系統(tǒng)界面操作簡便. 相比同類產(chǎn)品，其拋光精度由0.04 mm提高到0.029 mm；工作效率也大幅提高，加工時間由原來車削后再經(jīng)過酸洗處理一個轉(zhuǎn)子需120 min縮短至15 min（效率提高 80%以上）；降低了因金屬表面毛刺而產(chǎn)生的機械損耗. 此外，系統(tǒng)有粉塵回收裝置，加工過程不會對空氣造成污染. 系統(tǒng)由PLC控制加工過程，可高效達到即定的加工要求，轉(zhuǎn)子經(jīng)拋光處理后因毛刺而導(dǎo)致的功率損耗可降低0. 5%.