摘要： 本文介紹了高壓水射流除銹機(jī)的控制流程，提出利用三菱FX2N型PLC的高速計(jì)數(shù)功能來實(shí)現(xiàn)低定位精度要求的位置控制方式，詳細(xì)分析了利用豐富的PLC軟件指令來完成控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)設(shè)定、數(shù)據(jù)計(jì)算、位置控制以及輸出顯示的方法。 　　關(guān)鍵詞： 高壓水射流 位置控制 數(shù)據(jù)計(jì)算 PLC控制 Abstract: This paper introduces the control process of high pressure water shoot derusting machine,brings forward a kind of method which utilizes MITSUBISHI FX2N PLC high speed count the function to realize the position control that the low fixed position accuracy request，detailed analyzed the method which utilizes PLC enrich software to complete the data to set up, data calculate ，position control and output to show of the control system。 Keywords: The high pressure water shoot position control data calculate PLC control 1 前言 　　高壓水射流技術(shù)在材料切割和金屬除銹工業(yè)領(lǐng)域已被國內(nèi)外的相關(guān)企業(yè)所采用，其主要工作原理是：用高壓水泵將水加壓到一定壓力（一般為50—400MPa），再通過噴嘴上的小孔將水高速噴出，形成一股超音速水射流，使水獲得巨大動(dòng)能，用來切割各種材料或者進(jìn)行金屬除銹。高壓水射流用于金屬除銹，由于它是濕法除銹，不產(chǎn)生粉塵，安全衛(wèi)生，勞動(dòng)條件好，對(duì)環(huán)境無污染，所以它在金屬除銹工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用是將來發(fā)展的趨勢。 2 除銹機(jī)控制系統(tǒng)的要求及控制流程 　　捷特公司開發(fā)的全混合磨料水射流除銹機(jī)的處理對(duì)象為各種鋼板和焊接成型的箱型梁，要求除銹機(jī)能對(duì)不同類型的處理對(duì)象表面進(jìn)行自動(dòng)除銹。這就意味著高壓水噴頭的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)采用三坐標(biāo)控制方式，即噴頭要完成縱（x方向）、橫（y方向）和升降（z方向）運(yùn)動(dòng)，除銹機(jī)的電控系統(tǒng)應(yīng)能在操作者輸入工件外形尺寸后，按事先編制好的程序自動(dòng)完成除銹工作。由于高壓水泵的拖動(dòng)電機(jī)功率高達(dá)110KW，需采用啟動(dòng)限流措施，以減小對(duì)電網(wǎng)的沖擊。x、y、z軸的定位精度1mm， x、y、z軸的運(yùn)動(dòng)控制要能實(shí)現(xiàn)單獨(dú)無級(jí)調(diào)速。除銹機(jī)電控系統(tǒng)應(yīng)設(shè)自動(dòng)、手動(dòng)兩種控制方式，以適應(yīng)復(fù)雜多變的工件參數(shù)。 　　高壓水射流除銹機(jī)的輔機(jī)為高壓水噴頭和工件的3坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，它采用龍門架結(jié)構(gòu)、臺(tái)車移動(dòng)形式，與數(shù)控龍門銑床的結(jié)構(gòu)形式相似。高壓水噴頭固定在z軸傳動(dòng)絲杠的下端，z軸傳動(dòng)絲杠及減速機(jī)構(gòu)又可通過y軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行左右運(yùn)動(dòng)，工件放在x軸的臺(tái)車上。工件除銹時(shí)，工件在x軸的走行臺(tái)車上作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，如果對(duì)平放的x—y平面的鋼板進(jìn)行除銹，高壓水噴頭在x軸每次變換運(yùn)動(dòng)方向時(shí)做+y方向進(jìn)給，其進(jìn)給量由操作者根據(jù)高壓水噴頭的打擊寬度通過撥碼開關(guān)進(jìn)行設(shè)定；如果對(duì)立放的x—z平面的箱型梁進(jìn)行除銹，高壓水噴頭在x軸每次變換運(yùn)動(dòng)方向時(shí)做+z方向進(jìn)給，其進(jìn)給量的設(shè)定方法同上。x軸的走行臺(tái)車往復(fù)運(yùn)動(dòng)的距離即是工件的長度。高壓水射流除銹機(jī)的控制流程如圖1所示。 3 除銹機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 　　高壓水射流除銹機(jī)的主機(jī)為高壓水泵和合金材料制成的高壓水噴嘴，其額定工作壓力為50MPa，為了減小高壓水泵啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊和其停止時(shí)對(duì)高壓輸水管道造成的水錘效應(yīng)，高壓水泵電動(dòng)機(jī)采用軟啟動(dòng)器傳動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)高壓水泵的軟啟動(dòng)和軟停止，軟啟動(dòng)器選用ABB公司的PSD250型。高壓水泵電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)完畢進(jìn)入全速運(yùn)行后，用旁路接觸器進(jìn)行切換，讓軟啟動(dòng)器退出運(yùn)行，以減輕軟啟動(dòng)器的負(fù)擔(dān)，增加其使用可靠性。高壓水泵正常停止時(shí)，再用旁路接觸器進(jìn)行切換，讓軟啟動(dòng)器進(jìn)入運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)高壓水泵軟停止。 　　除銹機(jī)輔機(jī)x、y、z軸的電氣傳動(dòng)采用異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，變頻器選用三菱FR-A540系列。根據(jù)除銹機(jī)工藝要求，y、z軸不能同時(shí)運(yùn)動(dòng)，因此y、z軸采用一臺(tái)公用變頻器，由PLC根據(jù)控制面板的輸入數(shù)據(jù)對(duì)y、z軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行切換。其中x軸的變頻器為FR-A540-5.5K-CH， y、z軸公用變頻器為FR-A540-3.7K-CH。 　　PLC除了完成除銹機(jī)整機(jī)的邏輯控制外，更重要的是進(jìn)行實(shí)時(shí)位置控制，它要處理和運(yùn)算大量的位置實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括x、y、z軸光電編碼器反饋回來的位置數(shù)據(jù)、控制面板上的工件參數(shù)、4位LED數(shù)碼管的各種整機(jī)狀態(tài)參數(shù)顯示數(shù)據(jù)等。根據(jù)以上控制功能的要求，PLC選用三菱FX2N-64MT（晶體管型）?？刂泼姘迳系膿艽a開關(guān)用于設(shè)定除銹機(jī)的工藝參數(shù)，其中一個(gè)4位撥碼開關(guān)用于設(shè)定工件的長度，這也是x軸的自動(dòng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的距離數(shù)據(jù)，另外的兩個(gè)2位撥碼開關(guān)用于設(shè)定自動(dòng)控制方式下+y、+z軸的每次走步量。4位LED數(shù)碼管選用鎖存型，低電平有效，電源電壓DC5V。 3.1 位置控制環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì) 3.1.1位置檢測環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì) 　　因?yàn)槌P工藝要求x、y、z軸進(jìn)給定位精度達(dá)到1mm即可，所以除銹機(jī)輔機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)采用如下方式：x、y軸因工作行程大，采用齒輪齒條傳動(dòng)；z軸采用螺旋絲杠副傳動(dòng)。x、y、z軸的電氣傳動(dòng)采用異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，x、y、z軸的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)均為4極電機(jī)，電動(dòng)機(jī)同軸安裝光電編碼器，用以反饋x、y、z軸的位置信號(hào)。 　　考慮到PLC在進(jìn)行高速計(jì)數(shù)、運(yùn)算時(shí)的誤差和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)失動(dòng)量的存在，為了保證定位精度，從位置檢測精度來考核時(shí)，應(yīng)保證位置檢測精度小于實(shí)際定位精度一個(gè)數(shù)量級(jí)，即x、y、z軸的檢測精度應(yīng)小于0.1mm。為了光電編碼器的型號(hào)統(tǒng)一，均選用60ppr（ppr/每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)）、開關(guān)頻率10KHz的光電編碼器。x、y、z軸的脈沖當(dāng)量如下：x軸為20p/mm，y軸為21p/mm，z軸為18p/mm。從位置檢測精度來考核，x軸為0.050mm，y軸為0.048mm，z軸為0.056mm，它們均滿足檢測精度小于0.1mm的設(shè)計(jì)要求。 　　FX2N型PLC最多能為16軸提供定位控制，運(yùn)算速度高達(dá)0.08µs/指令，其內(nèi)置的高速計(jì)數(shù)器通常選擇組合計(jì)數(shù)頻率不大于20KHz。由于PLC定位程序中使用了FNC53、FNC54和FNC56高速處理指令，所以高速計(jì)數(shù)器允許的選擇組合計(jì)數(shù)頻率不應(yīng)大于11KHz。核算如下：高速計(jì)數(shù)器C235（1相）：1.5KHz輸入；高速計(jì)數(shù)器C236（1相）：1.5KHz輸入；高速計(jì)數(shù)器C237（1相）：1.5KHz輸入；SPD（X003）：1.5KHz輸入；合計(jì)：6KHz＜11KHz 　　因此，F(xiàn)X2N型PLC完全滿足本機(jī)定位控制高精度數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算的要求。 3.1.2位置控制環(huán)節(jié)的軟件設(shè)計(jì) 3.1.2.1定位控制 　　為了保證x、y、z軸精確的定位，各軸的電氣傳動(dòng)采用變頻器無級(jí)變速進(jìn)給，電氣制動(dòng)選用制動(dòng)電阻動(dòng)力制動(dòng)方式，以提供大的制動(dòng)力矩，縮短減速時(shí)間，提高加工效率。如圖2所示，當(dāng)x、y、z軸進(jìn)給到減速點(diǎn)后，變頻器以3Hz的低速接近定位點(diǎn)并精確停止（減速點(diǎn)與定位點(diǎn)之間的距離由PLC軟件設(shè)定）。 　　由于PLC處理軟件程序采用循環(huán)掃描方式，從信號(hào)輸入PLC到PLC輸出信號(hào)，至少要延遲一個(gè)循環(huán)掃描時(shí)間（一般為數(shù)ms，因軟件程序的容量大小而不同）。當(dāng)PLC用于要求高速響應(yīng)的場合時(shí)，就必須慎重考慮循環(huán)掃描時(shí)間對(duì)高速信號(hào)處理的遲滯影響。本機(jī)x、y、z軸位置信號(hào)的檢測與處理采用FX2N型PLC內(nèi)置的32位高速計(jì)數(shù)器進(jìn)行處理，它是通過中斷處理進(jìn)行高速動(dòng)作，可對(duì)來自特定輸入端的高速脈沖進(jìn)行數(shù)KHz的高速計(jì)數(shù)，而與PLC的循環(huán)掃描時(shí)間無關(guān)。為了精確定位，除了選用晶體管輸出型的PLC和其內(nèi)置高速計(jì)數(shù)器功能外，還應(yīng)在軟件編程中注意，對(duì)x、y、z軸高速位置信號(hào)的檢測與處理應(yīng)采用高速計(jì)數(shù)器專用的比較置位/復(fù)位指令，以消除PLC循環(huán)掃描時(shí)間對(duì)位置控制輸出信號(hào)的遲滯影響。下面就以+x走步子程序?yàn)槔鲆栽敿?xì)介紹，如圖3所示。 　　圖3中，D276是+x軸減速點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)，D260是+x軸定位點(diǎn)到位停的位置數(shù)據(jù)。當(dāng)M452變?yōu)镺N狀態(tài)后，x軸的高速位置編碼信號(hào)送入C235高速計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)x軸進(jìn)給到減速點(diǎn)后，C235高速計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值等于數(shù)據(jù)寄存器D276中的+x軸減速點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)，輸出繼電器Y021變?yōu)镺N狀態(tài)，輸出繼電器Y020變?yōu)镺FF狀態(tài)，變頻器從調(diào)速給定狀態(tài)切換到減速給定狀態(tài)，以3Hz的低速接近最終定位點(diǎn)。當(dāng)C235高速計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值等于數(shù)據(jù)寄存器D260中的+x軸最終定位點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)時(shí)，輸出繼電器Y021變?yōu)镺FF狀態(tài)，切斷變頻器的給定，+x軸停止在定位點(diǎn)。同時(shí)，M18變?yōu)镺N狀態(tài)，向控制x、y、z軸自動(dòng)進(jìn)給的步進(jìn)階梯指令程序發(fā)出+x軸走步轉(zhuǎn)向+y/+z軸走步的轉(zhuǎn)換標(biāo)志。由于使用了FNC53、FNC54高速處理指令，PLC所做的數(shù)據(jù)比較、外部輸出等能中斷處理，所以高速計(jì)數(shù)器C235的當(dāng)前值一旦等于數(shù)據(jù)寄存器D276、D260中的值，輸出繼電器Y020、Y021立即置位或復(fù)位，而不受PLC固有循環(huán)掃描時(shí)間的影響。 3.1.2.2數(shù)據(jù)處理與計(jì)算 　　PLC內(nèi)部采用二進(jìn)制的整數(shù)值進(jìn)行常規(guī)算術(shù)運(yùn)算，在除銹機(jī)的控制中為了更精確地進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，因此采用FX2N提供的浮點(diǎn)運(yùn)算指令。浮點(diǎn)運(yùn)算在PLC內(nèi)部全部以二進(jìn)制浮點(diǎn)值為基礎(chǔ)進(jìn)行運(yùn)算，由于二進(jìn)制浮點(diǎn)值為不易直接判明的數(shù)值，所以如果要通過外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)值監(jiān)測，就要將其轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制浮點(diǎn)值。 　　除銹機(jī)位置數(shù)據(jù)的處理過程如下，控制面板上撥碼開關(guān)設(shè)定的十進(jìn)制位置數(shù)據(jù)通過FNC72（DSW）數(shù)字開關(guān)指令轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)據(jù)存入寄存器，然后將該二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制浮點(diǎn)值后，再進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，最后將二進(jìn)制浮點(diǎn)值運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換成外部設(shè)備監(jiān)視用的十進(jìn)制浮點(diǎn)值和位置控制用的32位二進(jìn)制整數(shù)值。下面以+y走步浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算子程序?yàn)槔M(jìn)行介紹，如圖4所示。 　　數(shù)據(jù)寄存器（D191，D190）中存放的是+y走步量的二進(jìn)制整數(shù)值，在運(yùn)算前先通過FNC49（DFLT）指令將二進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)。K2100÷K100的運(yùn)