旋轉編碼器在位置控制的應用設計論文
旋轉編碼器在位置控制的應用設計論文
摘要：以提高錕壓成型機切料長度的精度為改造目標。文章首先簡介旋轉編碼器的工作原理和特點，然後闡述以PLC、旋轉編碼器和變頻器構成的位置控制系統，並詳細描述設計過程的位置計算、遇到的問題及改造的成效。
關鍵詞：旋轉編碼器；PLC；變頻器；成型機；位置控制
前言
改造之前的老式成型機利用接近開關來獲得鋼板的位置資訊，透過調節接近開關的位置來預計電機和鋼板的運動慣量，鋼板在設定值停止的位置控制精度低，而且起動和剎車時的機械衝擊大，經常出現故障。針對上述問題，我在這次改造中使用新的位置控制方式，利用旋轉編碼器、PLC、變頻器等部件，目標是使位置控制的精度提高，使產品的長度誤差在正負1mm以內。在自動模式下加工全程由程式控制，以雙速執行使中間過程加快，同時可以實現成型機的牽引軟啟動和軟制動使整個錕壓過程平穩、無機械衝擊。
1錕壓成型機的基本結構
1。1錕壓成型機主要由機架、錕輪機傳動裝置、放卷及切斷裝置組成
被壓制材料通常是1。0mm～2。0mm厚鍍鋅帶狀鋼板。主機的傳動是透過鏈條實現的，先由牽引電機經減速機傳給主動壓錕，再由主動壓錕用鏈條帶動其他多道壓錕。上下各有壓錕。壓錕是由模具和轉動軸組成，壓錕帶動鋼帶前進。前進方向上各軸的模具是按逐漸加深的順序來安裝的，所以鋼帶在模具間走過就逐漸被壓制成設計要求的形狀。錕壓成型機的主機結構如圖1所示。
1。2液壓切斷裝置
液壓切斷部分由剪下刀架體和模具組成。該裝置採用落料切斷，以油缸液壓推動切刀起落。切斷後型材產品直接落至託料架。
1。3液壓站
主要用於向生產線剪下裝置提供壓力油，液壓站放置在剪下裝置旁的非操作側。
2旋轉編碼器簡介
2。1光電式旋轉編碼器的工作原理
光電式旋轉編碼器，是一種透過光電轉換將軸的角位移量轉換成脈衝或數字量的感測器。把它裝在轉軸上可以被用作速度控制或位置控制系統的檢測元件。旋轉編碼器主要引數是解析度，編碼器的光電碼盤在360度範圍有的通或暗刻線的數量稱為解析度，或直接稱多少線。它透過編碼器每轉輸出的脈衝數反映出來。
2。2增量式旋轉編碼器的特點
增量式編碼器轉軸旋轉時，有相應的脈衝輸出，其計數起點任意設定，可實現多圈無限累加和測量。本案是用旋轉編碼器來測鋼帶的相對位移，根據編碼器的特點，選用增量式旋轉編碼器。
3旋轉編碼器在位置控制中的應用
3。1位置控制系統的構成
位置控制方框圖如圖2所示，它主要由PLC、旋轉編碼器、變頻器、觸控式螢幕、變頻電動機組成。以下著重介紹前面三個主要元件。3。1。1PLC。PLC採用三菱的FX1S—20MR，它作為控制系統的核心單元，負責接收旋轉編碼器送來的脈衝訊號，經過內部的高速計數器C235進行計數和運算，按程式設定輸出控制訊號到變頻器及電磁閥等執行器件，使機器按程式進行相應動作。其中感測器用旋轉編碼器對鋼帶的位移監測。3。1。2變頻器。
（1）使用變頻器調速的原因：雖然伺服系統有精確、快速定位的優點，大功率的伺服驅動器配伺服電機價錢也太高，故嘗試使用變頻器。現在本設計用旋轉編碼器測位移後將資訊送到PLC按程式雙速執行，避免高速停車，並透過精確的實時位置測算達到準確停車的效果。
（2）在變頻器的控制埠DI1、DI2、DI3、COM輸入由PLC輸出正轉、反轉、低速的控制訊號，驅動變頻電機來完成相應的任務指令。變頻器自帶的制動單元配合外接的制動電阻作能耗制動。
（3）觸控式螢幕作為PLC的輸入和顯示資料裝置，使用觸控式螢幕的RS—422介面與PLC連線，在觸控式螢幕設定產品的資料並顯示當前工作狀態和數值。
3。2位移測量與計算
本設計採用旋轉編碼器產生與位移成正比的脈衝，將其輸入PLC的X0高速計數器埠，構成位置反饋，累加脈衝數反映鋼帶位置，觸控式螢幕顯示經過程式換算的數值反映電機拖動機械實際行走的位移。程式中用單相單計數的高速計數器C235，32位增/減計數，機器預設為增計數。位移L=SI
（1）式中：S—脈衝當量；I—累計脈衝數注：旋轉編碼器安裝在位移測量輪的軸上以測量輪轉一圈計算，位移等於測量輪的周長C，累計脈衝數I等於每轉一圈的脈衝數，即編碼器的解析度，歐姆龍編碼器E6B2的解析度：I=1000P/r，測量輪的直徑D=95。5mm，所以L=C=πD，又根據式（1）得：S=L/I（2）將實際數值代入式
（2）：每一圈的位移L=πd=3。1416×95。5=300。02（mm）脈衝當量S=L/I=300。02/1000≈0。3（mm/P）如圖3所示鋼帶位移計算的過程。設每個產品的加工週期所走過的總位移是L總，刀與測距光纖間的距離是L光纖距，產品上最末的孔到產品末端的距離L尾孔距，切刀的厚度L刀厚，長度校正L校。L總=L光纖距+L尾孔距+L刀厚+L校根據式（1）可得累計脈衝數I=L/S將位移轉化成脈衝數，用比較指令把C235的累計數與設定值對應的脈衝數比較，取得機器動作所需精確的位置點。設定了低速長度L低就可以得：主速度位移是L總－L低。當鋼帶走完主速度位移，由PLC發出轉入低速訊號，使變頻器的頻率下降至3。5Hz，鋼帶以低速前進。圖3中各段間距以Dxxx表示，是PLC程式裡的資料暫存器，例如D192（低速長度）可以在觸控式螢幕上直接修改設定數值。
3。3實際需要解決的幾個技術問題
（1）高速計數器的溢位問題：PLC程式的`32位增/減計數，計數範圍—214783648~+214783647，若超過範圍進行計數，高速計數器就會溢位。為解決這一問題，程式設定在產生計數溢位前C235復位，即每次切完產品後進行一次C235和長度資料暫存器復位，因為我們不需要整捲鋼帶的長度，只需分段計每節產品的長度。
（2）高速計數器輸入訊號頻率限制問題：C235的輸入脈衝頻率有限制，其中X0的最高頻率為10kHz。鋼帶前進最高速度約V=0。1m/s，脈衝當量是0。3mm/P，測量輪周長C=300。02mm。轉一圈的時間T=C/V=0。3/0。1=3s，即轉一圈對應1000P所用時間3s。實際使用的脈衝頻率的最大值fmax=1000/3≈333（Hz）故實際使用的脈衝頻率遠小於X0的最高頻率10kHz上限值。
（3）傳動鏈條的間隙補償問題：由於這種位移測量屬於開環測量，因此必須解決傳動鏈條的間隙補償問題。為解決這一問題，可在程式中高速計數器的當前值累加一個間隙補償量，即觸控式螢幕顯示的長度校正，這補償量的大小根據多次除錯來定。
4改造的成效分析
改造後機器比之前有以下效果：
（1）產品長度的合格率提高主要靠測量的精度提高，這次改造所用的旋轉編碼器位移測量裝置每個脈衝的位移僅0。3mm。雖然這測量系統屬於開環系統，其精度取決於位移的給定精度，而用旋轉編碼器來測量位移正好能夠低成本地提高系統的給定精度。其次用程式控制變頻器進行雙速度切換，接近停車時以低速執行，鋼帶執行到預設的位移後，PLC的C235計數器計數脈衝累加達到主速度預設值，PLC發出換速指令送到變頻器，鋼帶降速，以低速行到停止位，這樣停車的位置更準確。停的位置準，落刀切出來的產品長度也就精確。計數脈衝累加達到刀與末端距離的預設值PLC指令低速結束變頻器瞬間制動，與此同時切斷裝置的電磁閥開關動作，使油缸推動切刀落下，完成一次加工。
（2）操作便捷，機器的自動化程度提高。加工引數可在觸控式螢幕上輸入，長度、加工件數可以不斷跳變顯示。（3）用程式控制變頻器執行頻率，由變頻器驅動電機，可以使啟動和停止無機械衝擊，而中間過程的主速度可以加快，這是雙速執行的優勢。解決了加工速度和產品精度的矛盾。
參考文獻
[1]盧寧，張晉宏。一種用PLC和旋轉編碼器測量位移的方法[J]。機械工程與自動化，2007（4）。