0 引言

　　摩擦材料是生產(chǎn)汽車剎車片和離合器片的主要材料，它的主要功能是通過摩擦來吸收或傳遞動(dòng)力，它可以使機(jī)械設(shè)備和機(jī)動(dòng)車輛安全可靠地工作，可以說它是汽車行業(yè)的一種非常關(guān)鍵的材料。據(jù)數(shù)據(jù)顯示，摩擦材料有80％應(yīng)用于汽車剎車片生產(chǎn)，再加上我國(guó)汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展以及汽車零部件的大量出口，對(duì)摩擦材料的需求也是節(jié)節(jié)攀升。但是相對(duì)汽車行業(yè)來說，摩擦材料行業(yè)的發(fā)展卻是相對(duì)滯后的。摩擦材料生產(chǎn)過程中需要將各種粉塵狀配料按一定比例投入到混料機(jī)中，目前都還是手工稱重投料。這種生產(chǎn)工藝，工作效率低，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大，并且由于配料多為粉塵狀，工人極易吸入，危害人身健康。通過自動(dòng)化設(shè)備改手工投料為自動(dòng)投料可以大大提高工作效率，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了摩擦材料生產(chǎn)線自動(dòng)投料系統(tǒng)。

1 工作原理

　　該系統(tǒng)主要由兩部分組成，一為稱重，一為自動(dòng)投料。

　　1.1 稱重系統(tǒng)

　　本系統(tǒng)采用高精度稱重傳感器對(duì)原料進(jìn)行自動(dòng)稱重。其原理是高精度稱重傳感器采用應(yīng)變簡(jiǎn)作為雙向受力彈性體，與電阻應(yīng)變計(jì)構(gòu)成一體后，成為雙向測(cè)力元件。在外加激勵(lì)電壓后，能根據(jù)受力大小，給出相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)。

　　1.2 自動(dòng)投料

　　該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了16個(gè)儲(chǔ)料杯，如圖1所示。

　　以1號(hào)料杯為原點(diǎn)，設(shè)計(jì)使初始位置時(shí)料斗在1號(hào)料杯正上方。設(shè)備啟動(dòng)后，開始稱重配料。料斗門開啟信號(hào)到來后，等待卸料，時(shí)間到使2號(hào)料杯移動(dòng)到原點(diǎn)位置，即料斗門下方。然后是3號(hào)料杯，4號(hào)料杯，依次類推，最后投放16號(hào)料杯。16號(hào)料杯投放結(jié)束，使1號(hào)料杯回到原點(diǎn)，完成一個(gè)工作循環(huán)。料杯整體安裝在一個(gè)十字滑臺(tái)上，通過滑臺(tái)的移動(dòng)來帶動(dòng)料杯移動(dòng)?；_(tái)可以在X和Y兩個(gè)方向上移動(dòng)，這兩個(gè)方向上的移動(dòng)是通過步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠副來實(shí)現(xiàn)的。步進(jìn)電機(jī)采用PLC來進(jìn)行控制。

　　1.3 控制要求

　　系統(tǒng)設(shè)手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作模式?；_(tái)不但可以在16個(gè)工位之間來回往返運(yùn)行，還可以進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整。自動(dòng)模式下，按啟動(dòng)按鈕滑臺(tái)開始啟動(dòng)，按停止按鈕，滑臺(tái)走完一步后停止。手動(dòng)模式下，設(shè)四個(gè)方向控制按鈕(點(diǎn)動(dòng))，X+, X-,Y+, Y，按任→按鈕滑臺(tái)移動(dòng)，松按鈕滑臺(tái)立即停止。

2 控制方案設(shè)計(jì)

　　2.1 硬件實(shí)現(xiàn)

　　如圖2所示為該系統(tǒng)的組成框圖。

　　該系統(tǒng)的特點(diǎn):

　　1)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)十字滑臺(tái)

　　步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。它作為執(zhí)行元件的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是快速啟停及定位準(zhǔn)確。如果負(fù)載不超過步進(jìn)電機(jī)所能提供的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩值，就能在瞬間使步進(jìn)電機(jī)啟停。并且它的轉(zhuǎn)速與停止位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載等其它環(huán)境因素的影響，因?yàn)榈玫搅藦V泛應(yīng)用。采用步進(jìn)電機(jī)控制十字滑臺(tái)相對(duì)于液壓滑臺(tái)和機(jī)械滑臺(tái)來說，精度高，體積小，可靠性高，維修工作量小。

　　2)采用軟一硬結(jié)構(gòu)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制

　　步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)方法很多，按找控制結(jié)構(gòu)可分為:硬脈沖生成器硬脈沖分配器結(jié)構(gòu)(硬一硬結(jié)構(gòu))、軟脈沖生成器軟脈沖分配器結(jié)構(gòu)(軟一軟結(jié)構(gòu))、軟脈沖生成器硬脈沖分配器結(jié)構(gòu)(軟一硬結(jié)構(gòu))。該系統(tǒng)采用軟一硬結(jié)構(gòu)。采用PLC生成脈沖信號(hào)，脈沖分配和功率放大是通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)的。這種控制驅(qū)動(dòng)方法，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能，大大縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期，并且占用CPU時(shí)間較少。

　　3)采用PLC本機(jī)自帶的高速脈沖輸出端實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)輸出

　　現(xiàn)在絕大多數(shù)PLC都自帶了高速脈沖輸出端，輸出脈沖頻率在20kHZ到100kHZ之間，完全可以滿足一般的步進(jìn)電機(jī)的控制要求。這樣就不需要采用單獨(dú)的位控模塊，位控模塊的成本又比較高，節(jié)約了成本。

2.2  PLC的選擇

　　2.2.1 確定所需I/O點(diǎn)數(shù)

　　該系統(tǒng)需要以下輸入信號(hào):一個(gè)手/自轉(zhuǎn)換開關(guān)(2點(diǎn))用來控制滑臺(tái)的工作方式。

一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)按鈕，一個(gè)停止信號(hào)按鈕。四個(gè)點(diǎn)動(dòng)按鈕分別控制滑臺(tái)的X+, X-, Y+,Y-四個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)。一個(gè)原點(diǎn)限位開關(guān)，X向、Y向兩個(gè)終點(diǎn)限位開關(guān)。共需11個(gè)輸人點(diǎn)。

　　該系統(tǒng)需要以下輸出信號(hào):兩個(gè)高速脈沖輸出端分別用于驅(qū)動(dòng)X向和Y向兩個(gè)方向上的步進(jìn)電機(jī)。兩個(gè)方向控制位控制滑臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向(即步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向)，一個(gè)運(yùn)行指示燈，一個(gè)停止指示燈。共需6個(gè)輸出點(diǎn)。

　　2.2.2 PLC機(jī)型選擇

　　根據(jù)以上分析，我們選用西門子57-200系列的CPU224 DC/DC/DC型PLC，它共有14個(gè)輸入點(diǎn)，10個(gè)輸出點(diǎn)，256個(gè)定時(shí)器，256個(gè)計(jì)數(shù)器，2個(gè)高速脈沖輸出端，最高頻率為20kHz。它是一種緊湊型的PLC，最多可以擴(kuò)展七個(gè)模塊。其I/O分配表如表1所示。

　　2.2.3 步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的選擇

　　步進(jìn)電機(jī)選用德國(guó)Hamde}fiurg公司2304HS42Al型電機(jī)，該電機(jī)是兩向混合式步進(jìn)電機(jī)，與之配套的驅(qū)動(dòng)器選用ASD-545E兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。比市場(chǎng)上其他普通驅(qū)動(dòng)器具有更低的電機(jī)發(fā)熱、運(yùn)行噪聲和更高的平穩(wěn)性，以及更低的成本。其微步細(xì)分?jǐn)?shù)有巧種，最大步數(shù)為25600Pulse/rev;其工作峰值電流范圍為1.0A-4.54A，輸出電流共有8檔，電流的分辨率約為0.50A;具有自動(dòng)半流，過壓和過流保護(hù)等功能。

　　2304HS42A 1型兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角為1.8°，即在無細(xì)分的條件下，200個(gè)脈沖使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈(200*1.8° =360 0)。通過驅(qū)動(dòng)器設(shè)置細(xì)分精度，最高可以達(dá)到25600個(gè)脈沖轉(zhuǎn)一圈。

　　硬件接線圖如圖3所示。

　　2.3 軟件設(shè)計(jì)

　　2.3.1 參數(shù)計(jì)算

　　由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)知，滑臺(tái)的行程正比于步進(jìn)電機(jī)的總轉(zhuǎn)角，因此，只要控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角即可控制滑臺(tái)上料杯的位置，使其依次到達(dá)原點(diǎn)位置接料。而步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角正比于所輸入的脈沖數(shù)。因此可以根據(jù)料杯間距確定PLC需輸出的脈沖個(gè)數(shù):

2.3.2程序設(shè)計(jì)

　　軟件采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法，主要由主程序、手動(dòng)控制程序、自動(dòng)控制程序、初始化子程序四個(gè)模塊組成。

　　1)主程序設(shè)計(jì)

　　程序如下:

　　2)初始化子程序

　　初始化子程序的目的主要是完成程序的初始化，設(shè)置包絡(luò)表。

　　步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，對(duì)于步進(jìn)電機(jī)來說，對(duì)啟停速度和最大運(yùn)行速度是有要求的。啟動(dòng)頻率太高會(huì)造成步進(jìn)電機(jī)失步，停止頻率太高會(huì)使步進(jìn)電機(jī)超速，頻率太低又會(huì)造成振蕩。步進(jìn)電機(jī)的最高運(yùn)行頻率是限制步進(jìn)電機(jī)高速運(yùn)行的極限條件。超過這個(gè)條件，電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩下降，負(fù)載能力變差，轉(zhuǎn)子受轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響會(huì)超出穩(wěn)定區(qū)造成失步。所以在步進(jìn)電機(jī)的控制中，必須建立包絡(luò)表，確定啟動(dòng)頻率、恒速運(yùn)行頻率和停止頻率。

　　步進(jìn)電機(jī)的啟停曲線如4所示:

圖4啟停曲線

　　設(shè)置包絡(luò)表如下，以X向步進(jìn)電機(jī)為例:

　　4)自動(dòng)子程序

　　采用順序控制程序設(shè)計(jì)方法，順序控制程序設(shè)計(jì)法是PLC的一種非常重要的編程方法，它采用類似于程序流程圖的功能流程圖進(jìn)行編程，它既有流程圖的直觀，又有利于復(fù)雜控制邏輯關(guān)系的分解和綜合。

　　功能流程圖如圖5所示:
 

圖5 自動(dòng)程序的功能流程圖

3 結(jié)束語

　　該系統(tǒng)將PLC用于摩擦材料生產(chǎn)線，操作方便，可靠性高，成本低廉。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，該系統(tǒng)大大地提高了摩擦材料生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，并且避免了粉塵對(duì)工人健康的危害，值得在相關(guān)行業(yè)推廣使用。