總線型絕對值編碼器在機械壓力機裝模高度調(diào)整的應(yīng)用

趙學(xué)任 劉樹梓 蘇旭輝

摘要：針對機械壓力機裝模高度調(diào)整費時費力且誤差較大的問題，開發(fā)了基于高精度總線型絕對值編碼器的裝模高度調(diào)整控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了裝模高度調(diào)整的實時控制，具有較高的控制精度和顯示精度，為設(shè)備的高效生產(chǎn)提供了可靠的保障。

關(guān)鍵詞：總線編碼器;裝模高度調(diào)整;現(xiàn)場總線

0? 引言

機械壓力機是一種在鍛壓生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用的設(shè)備，在其使用過程中，經(jīng)常需要根據(jù)沖壓工藝和工件形狀的不同更換模具，為了適應(yīng)不同高度的模具，壓力機的滑塊內(nèi)部設(shè)有裝模高度調(diào)整機構(gòu)。通過裝模高度調(diào)整，使壓力機下死點時工作臺上表面和滑塊下表面的距離發(fā)生變化，從而滿足使用不同高度的模具以及調(diào)整沖壓噸位的需要。

裝模高度調(diào)整機構(gòu)主要原理是由安裝在滑塊內(nèi)的裝模高度調(diào)整電機產(chǎn)生的扭矩通過齒輪箱和聯(lián)軸器傳遞到聯(lián)接器的蝸桿上，蝸桿帶動蝸輪使調(diào)節(jié)螺桿轉(zhuǎn)動，從而使滑塊同步的向上或向下移動位置，實現(xiàn)裝模高度調(diào)整。當(dāng)調(diào)整到最大或最小裝模高度時，相應(yīng)限位開關(guān)發(fā)出信號，調(diào)整電機立即斷電，停止調(diào)整。

過去的裝模高度調(diào)整顯示是通過調(diào)整蝸桿端部機械式數(shù)字輪來實現(xiàn)的，這種調(diào)整方式誤差較大，且每次更換模具時需反復(fù)手動調(diào)整裝模高度，生產(chǎn)效率低。而且即便是同一套模具，受平衡器風(fēng)壓波動的影響，每次調(diào)整后的裝模高度也不盡相同，同一性較差，導(dǎo)致沖壓件批次與批次間的質(zhì)量不同，次品率增加。為此設(shè)計了一種基于總線型絕對值編碼器的壓力機裝模高度控制系統(tǒng)，實現(xiàn)裝模高度的準(zhǔn)確控制、定位，以保證沖壓件的質(zhì)量。

1? 控制系統(tǒng)的組成

完成裝模高度調(diào)整的準(zhǔn)確位置控制，首先必須正確地選擇檢測元件，絕對值旋轉(zhuǎn)編碼器可以直接安裝在驅(qū)動軸上，占用空間小，并在軸上能承受較高的徑向和軸向負(fù)荷;分辨率高，既能滿足精度控制，又能保證重載安全;可直接測量參數(shù)的絕對位置，抗干擾能力強，在系統(tǒng)掉電及再上電后，仍可保持輸出位置量不變，因此非常適合作為裝模高度調(diào)整系統(tǒng)的檢測和反饋元件。由于編碼器安裝位置和壓力機PLC之間的距離較遠(yuǎn)，為避免信號衰減和偏差，采用總線輸出形式，不但可以減少現(xiàn)場的接線，而且傳輸速度快，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

本系統(tǒng)選用西門子S7-300為主控PLC，集成DP接口的S7-300 CPU作為Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)的主站，本身帶有Profibus-DP總線接口的絕對值編碼器，作為Profibus-DP現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的從站，接入壓力機電氣控制系統(tǒng)的Profibus網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)物理位置將編碼器放在了網(wǎng)絡(luò)的最后一級，即作為網(wǎng)絡(luò)的終端，因此終端電阻要撥在“ON”上，傳輸介質(zhì)使用滿足工業(yè)環(huán)境要求的屏蔽雙絞線。按照表1對編碼器進(jìn)行連接。

2? 控制系統(tǒng)的原理

在壓力機滑塊里面的蝸桿軸的一端用彈性聯(lián)軸器連接一總線型絕對值編碼器（見圖1），作為裝模高度調(diào)整位移量的檢測元件。當(dāng)進(jìn)行裝模高度調(diào)整時，調(diào)整電機帶動蝸桿轉(zhuǎn)動，編碼器隨著蝸桿的轉(zhuǎn)動發(fā)出連續(xù)的脈沖信號，通過總線配置和I/O映射將編碼器信號采集到PLC中，經(jīng)過程序處理，將脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭删幊痰姆从逞b模高度調(diào)整位移的數(shù)據(jù)，通過觸摸屏與PLC之間的通訊實現(xiàn)裝模高度調(diào)整設(shè)定值與實際值的顯示和設(shè)定。

3? PLC與總線編碼器之間的數(shù)據(jù)交換機制及網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置

3.1 數(shù)據(jù)交換機制

由于現(xiàn)在使用的總線絕對值編碼器是作為Profibus-DP系統(tǒng)的從站存在的，獲取的有關(guān)旋轉(zhuǎn)編碼器的信息都是通過Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)傳送的。集成DP口的S7-300 CPU可以像訪問自己的I/O模塊一樣來訪問DP從站.數(shù)據(jù)交換是很方便的。雖然智能從站提供給主站的輸入輸出區(qū)域不是實際的I/O模塊使用的I/0區(qū)域。但簡單組態(tài)后，主站、從站之間的數(shù)據(jù)交換也是自動進(jìn)行的。不需要專門編程。

3.2 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置

通過Profibus-DP總線完成對旋轉(zhuǎn)編碼器參數(shù)的設(shè)置，主要有：

3.2.1 設(shè)定編碼器的計數(shù)方向

該參數(shù)用于定義當(dāng)編碼器的軸順時針旋轉(zhuǎn)時脈沖數(shù)增大還是減小，編碼器的計數(shù)方向默認(rèn)為順時針旋轉(zhuǎn)，脈沖數(shù)增大，如果編碼器的計數(shù)方向和裝模高度整的移動方向不一致，就要對這一參數(shù)進(jìn)行修改，最終目的是實現(xiàn)裝模高度整向上移動時，脈沖數(shù)增加，裝模高度整向下移動時，脈沖數(shù)減小。

3.2.2 設(shè)定編碼器的分辨率

根據(jù)系統(tǒng)對位置的控制精度及數(shù)據(jù)的可靠性要求，在編碼器的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)中選擇合適的分辨率，使滑塊裝模高度整個調(diào)整量所對應(yīng)的總脈沖數(shù)包含在編碼器允許的總脈沖數(shù)之內(nèi)，但設(shè)定的分辨率不應(yīng)超過編碼器的最大總分辯率，否則會造成數(shù)據(jù)的溢出。

4? 實際應(yīng)用中需要處理的幾個問題

4.1 通過程序控制保證裝模高度調(diào)整的重復(fù)精度及顯示精度

為避免模具噸位變化及平衡器風(fēng)壓的波動影響裝模高度調(diào)整的重復(fù)精度，調(diào)整電機停止時自動記憶剎車距離，作為下一次停止的提前量，如一次停不到位，電機可重新啟動，多次調(diào)整，保證裝模高度的停止的重復(fù)精度，但注意要在程序上設(shè)定電機重新啟動的次數(shù)，原則上不能超過3次，以免造成死循環(huán)，如重復(fù)啟動3次，仍達(dá)不到所要求的精度，則終止調(diào)整，檢查裝模高度調(diào)整電機的剎車片是否磨損過度。

由于裝模高度調(diào)整向上和向下齒輪傳動的間隙不一樣，為保證裝模高度調(diào)整的顯示精度，從電氣控制上進(jìn)行齒輪反向間隙補償，即無論裝模高度向上調(diào)整還是向下調(diào)整始終在向下的位置上停止，從而在一定程度上消除齒輪傳動的反向間隙。

4.2 PLC工程量轉(zhuǎn)換和PLC邏輯

由PLC采集的編碼器脈沖數(shù)在程序中不能直接使用，必須轉(zhuǎn)化為實際工程量，以便于編程控制和觀察校對。在具體應(yīng)用中以絲（即0.01mm）作為工程變量的單位，通過用實際測量的裝模高度調(diào)整量的距離差與所對應(yīng)的脈沖數(shù)之差相除，可以得到每絲的分辨率，即編碼器輸出一個脈沖，裝模高度實際運動的距離，并以此為系數(shù)與編碼器的運行脈沖數(shù)相乘得到實際PLC工程量。

PLC中的邏輯即根據(jù)上述原理編制，所有位置的判斷和動作邏輯只在裝模高度的極限值設(shè)定方面有所不同。

4.3 編碼器初始值的設(shè)定

在現(xiàn)場調(diào)試的過程中，首先要完成的工作就是根據(jù)裝模高度的實際值設(shè)定編碼器的初始值。在初始值的設(shè)定之前，滑塊裝模高度的實際值與旋轉(zhuǎn)編碼器的初始值一般是不相同的，初始值設(shè)定的目的就是通過程序處理將旋轉(zhuǎn)編碼器的初始值修正為裝模高度的實際值，在進(jìn)行裝模高度調(diào)整時，實現(xiàn)編碼器的實際值與機械位置的一一對應(yīng)。

如果在使用過程中編碼器聯(lián)軸器發(fā)生了松動或維修工作中更換了編碼器，那么必需重新標(biāo)定編碼器的初始值。

由于旋轉(zhuǎn)編碼器初始值設(shè)定的正確與否直接關(guān)系著設(shè)備是否能夠安全運行，因此只允許經(jīng)過培訓(xùn)的具有操作資格的工程技術(shù)人員操作，而且最好在程序中對初始值的設(shè)定進(jìn)行密碼保護(hù)，防止誤操作。

應(yīng)當(dāng)注意，編碼器初始值的設(shè)定和編碼器實際值的讀取是兩個互鎖的過程，它們是不可能被同時執(zhí)行的，在PLC程序內(nèi)要用不同的地址對其定義。

4.4 軟限位和硬限位

軟限位：通過程序參數(shù)設(shè)定的限位;硬限位：即行程開關(guān)限位。由于采用了總線編碼器作為裝模高度調(diào)整系統(tǒng)的檢測元件，因此可以在程序內(nèi)設(shè)置軟限位，當(dāng)裝模高度調(diào)整超過由程序設(shè)定的軟限位時，就會發(fā)生超行程報警。軟限位雖然設(shè)置靈活，動作靈敏精確，但不能因為有了軟限位就把硬限位取消，設(shè)置硬限位就是為了防止軟限位萬一失靈，還能夠讓裝模高度調(diào)整安全地停止。

為保證控制精度同時考慮到滑塊調(diào)整向上超調(diào)的原因，軟限位的上限要大于裝模高度上限1.5mm，軟限位的下限等于裝模高度下限。軟限位的設(shè)定值要完全在硬限位之內(nèi)，并留有一定裕量。

總之，合理的使用“軟限位”和“硬限位”，既能確?？刂频陌踩煽坑帜芴岣哌\行精度。

4.5 由于絕對值編碼器安裝在壓力機滑塊內(nèi)，環(huán)境比較惡劣，灰塵及油污較多，因此放置的地方一定要采取必要的防塵、防油措施，編碼器的防護(hù)等級建議不要低于IP67。

4.6 壓力機進(jìn)行沖壓作業(yè)特別是進(jìn)行落料或拉伸操作時，滑塊的震動比較大，盡管選用具有優(yōu)秀的抗震、抗沖擊性能的旋轉(zhuǎn)編碼器，但設(shè)計時編碼器的安裝位置仍應(yīng)選擇在震動較小的地方，并采取減震措施，確?？刂频目煽啃?。

5? 結(jié)束語

經(jīng)過現(xiàn)場實測和生產(chǎn)檢驗，壓力機裝模高度調(diào)整采用總線型絕對值編碼器控制，定位精度明顯提高，有效地解決了壓力機模具更換中因裝模高度調(diào)整不準(zhǔn)確而反復(fù)調(diào)整帶來的低效率等問題;同時，采用軟限位結(jié)合硬限位實現(xiàn)對裝模高度調(diào)整終端位置的雙重保護(hù)，增加壓力機的安全性，為設(shè)備的高效生產(chǎn)提供可靠的保障，在實際應(yīng)用中取得了良好的經(jīng)濟效益。

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