旋转编码器在位置控制的应用设计论文

　　摘要：以提高锟压成型机切料长度的精度为改造目标。文章首先简介旋转编码器的工作原理和特点，然后阐述以PLC、旋转编码器和变频器构成的位置控制系统，并详细描述设计过程的位置计算、遇到的问题及改造的成效。
　　关键词：旋转编码器；PLC；变频器；成型机；位置控制
　　前言
　　改造之前的老式成型机利用接近开关来获得钢板的位置信息，通过调节接近开关的位置来预计电机和钢板的运动惯量，钢板在设定值停止的位置控制精度低，而且起动和刹车时的机械冲击大，经常出现故障。针对上述问题，我在这次改造中使用新的位置控制方式，利用旋转编码器、PLC、变频器等部件，目标是使位置控制的精度提高，使产品的长度误差在正负1mm以内。在自动模式下加工全程由程序控制，以双速运行使中间过程加快，同时可以实现成型机的牵引软启动和软制动使整个锟压过程平稳、无机械冲击。
　　1锟压成型机的基本结构
　　1。1锟压成型机主要由机架、锟轮机传动装置、放卷及切断装置组成
　　被压制材料通常是1。0mm2。0mm厚镀锌带状钢板。主机的传动是通过链条实现的，先由牵引电机经减速机传给主动压锟，再由主动压锟用链条带动其他多道压锟。上下各有压锟。压锟是由模具和转动轴组成，压锟带动钢带前进。前进方向上各轴的模具是按逐渐加深的顺序来安装的，所以钢带在模具间走过就逐渐被压制成设计要求的形状。锟压成型机的主机结构如图1所示。
　　1。2液压切断装置
　　液压切断部分由剪切刀架体和模具组成。该装置采用落料切断，以油缸液压推动切刀起落。切断后型材产品直接落至托料架。
　　1。3液压站
　　主要用于向生产线剪切装置提供压力油，液压站放置在剪切装置旁的非操作侧。
　　2旋转编码器简介
　　2。1光电式旋转编码器的工作原理
　　光电式旋转编码器，是一种通过光电转换将轴的角位移量转换成脉冲或数字量的传感器。把它装在转轴上可以被用作速度控制或位置控制系统的检测元件。旋转编码器主要参数是分辨率，编码器的光电码盘在360度范围有的通或暗刻线的数量称为分辨率，或直接称多少线。它通过编码器每转输出的脉冲数反映出来。
　　2。2增量式旋转编码器的特点
　　增量式编码器转轴旋转时，有相应的脉冲输出，其计数起点任意设定，可实现多圈无限累加和测量。本案是用旋转编码器来测钢带的相对位移，根据编码器的特点，选用增量式旋转编码器。
　　3旋转编码器在位置控制中的应用
　　3。1位置控制系统的构成
　　位置控制方框图如图2所示，它主要由PLC、旋转编码器、变频器、触摸屏、变频电动机组成。以下着重介绍前面三个主要组件。3。1。1PLC。PLC采用三菱的FX1S20MR，它作为控制系统的核心单元，负责接收旋转编码器送来的脉冲信号，经过内部的高速计数器C235进行计数和运算，按程序设定输出控制信号到变频器及电磁阀等执行器件，使机器按程序进行相应动作。其中传感器用旋转编码器对钢带的位移监测。3。1。2变频器。
　　（1）使用变频器调速的原因：虽然伺服系统有精确、快速定位的优点，大功率的伺服驱动器配伺服电机价钱也太高，故尝试使用变频器。现在本设计用旋转编码器测位移后将信息送到PLC按程序双速运行，避免高速停车，并通过精确的实时位置测算达到准确停车的效果。
　　（2）在变频器的控制端口DI1、DI2、DI3、COM输入由PLC输出正转、反转、低速的控制信号，驱动变频电机来完成相应的任务指令。变频器自带的制动单元配合外置的制动电阻作能耗制动。
　　（3）触摸屏作为PLC的输入和显示数据装置，使用触摸屏的RS422接口与PLC连接，在触摸屏设定产品的数据并显示当前工作状态和数值。
　　3。2位移测量与计算
　　本设计采用旋转编码器产生与位移成正比的脉冲，将其输入PLC的X0高速计数器端口，构成位置反馈，累加脉冲数反映钢带位置，触摸屏显示经过程序换算的数值反映电机拖动机械实际行走的位移。程序中用单相单计数的高速计数器C235，32位增减计数，机器默认为增计数。位移LSI
　　（1）式中：S脉冲当量；I累计脉冲数注：旋转编码器安装在位移测量轮的轴上以测量轮转一圈计算，位移等于测量轮的周长C，累计脉冲数I等于每转一圈的脉冲数，即编码器的分辨率，欧姆龙编码器E6B2的分辨率：I1000Pr，测量轮的直径D95。5mm，所以LCD，又根据式（1）得：SLI（2）将实际数值代入式
　　（2）：每一圈的位移Ld3。141695。5300。02（mm）脉冲当量SLI300。0210000。3（mmP）如图3所示钢带位移计算的过程。设每个产品的加工周期所走过的总位移是L总，刀与测距光纤间的距离是L光纤距，产品上最末的孔到产品末端的距离L尾孔距，切刀的厚度L刀厚，长度校正L校。L总L光纤距L尾孔距L刀厚L校根据式（1）可得累计脉冲数ILS将位移转化成脉冲数，用比较指令把C235的累计数与设定值对应的脉冲数比较，取得机器动作所需精确的位置点。设定了低速长度L低就可以得：主速度位移是L总L低。当钢带走完主速度位移，由PLC发出转入低速信号，使变频器的频率下降至3。5Hz，钢带以低速前进。图3中各段间距以Dxxx表示，是PLC程序里的数据寄存器，例如D192（低速长度）可以在触摸屏上直接修改设置数值。
　　3。3实际需要解决的几个技术问题
　　（1）高速计数器的溢出问题：PLC程序的32位增减计数，计数范围214783648214783647，若超过范围进行计数，高速计数器就会溢出。为解决这一问题，程序设置在产生计数溢出前C235复位，即每次切完产品后进行一次C235和长度数据寄存器复位，因为我们不需要整卷钢带的长度，只需分段计每节产品的长度。
　　（2）高速计数器输入信号频率限制问题：C235的输入脉冲频率有限制，其中X0的最高频率为10kHz。钢带前进最高速度约V0。1ms，脉冲当量是0。3mmP，测量轮周长C300。02mm。转一圈的时间TCV0。30。13s，即转一圈对应1000P所用时间3s。实际使用的脉冲频率的最大值fmax10003333（Hz）故实际使用的脉冲频率远小于X0的最高频率10kHz上限值。
　　（3）传动链条的间隙补偿问题：由于这种位移测量属于开环测量，因此必须解决传动链条的间隙补偿问题。为解决这一问题，可在程序中高速计数器的当前值累加一个间隙补偿量，即触摸屏显示的长度校正，这补偿量的大小根据多次调试来定。
　　4改造的成效分析
　　改造后机器比之前有以下效果：
　　（1）产品长度的合格率提高主要靠测量的精度提高，这次改造所用的旋转编码器位移测量装置每个脉冲的位移仅0。3mm。虽然这测量系统属于开环系统，其精度取决于位移的给定精度，而用旋转编码器来测量位移正好能够低成本地提高系统的给定精度。其次用程序控制变频器进行双速度切换，接近停车时以低速运行，钢带运行到预设的位移后，PLC的C235计数器计数脉冲累加达到主速度预设值，PLC发出换速指令送到变频器，钢带降速，以低速行到停止位，这样停车的位置更准确。停的位置准，落刀切出来的产品长度也就精确。计数脉冲累加达到刀与末端距离的预设值PLC指令低速结束变频器瞬间制动，与此同时切断装置的电磁阀开关动作，使油缸推动切刀落下，完成一次加工。
　　（2）操作便捷，机器的自动化程度提高。加工参数可在触摸屏上输入，长度、加工件数可以不断跳变显示。（3）用程序控制变频器运行频率，由变频器驱动电机，可以使启动和停止无机械冲击，而中间过程的主速度可以加快，这是双速运行的优势。解决了加工速度和产品精度的矛盾。
　　参考文献
　　〔1〕卢宁，张晋宏。一种用PLC和旋转编码器测量位移的方法〔J〕。机械工程与自动化，2007（4）。