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力，它可以使機械設備和機動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％應用于汽車剎車片生產(chǎn)，再加上我國汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展以及汽車零部件的大量出口，對摩擦材料的需求也是節(jié)節(jié)攀升。但是相對汽車行業(yè)來說，摩擦材料行業(yè)的發(fā)展卻是相對滯后的。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，工人的勞動強度大，并且由于配料多為粉塵狀，工人極易吸入，危害人身健康。通過自動化設備改手工投料為自動投料可以大大提高工作效率，降低工人的勞動強度。為此，我們設計并實現(xiàn)了摩擦材料生產(chǎn)線自動投料系統(tǒng)。

1 工作原理

　　該系統(tǒng)主要由兩部分組成，一為稱重，一為自動投料。

　　1.1 稱重系統(tǒng)

　　本系統(tǒng)采用高精度稱重傳感器對原料進行自動稱重。其原理是高精度稱重傳感器采用應變簡作為雙向受力彈性體，與電阻應變計構(gòu)成一體后，成為雙向測力元件。在外加激勵電壓后，能根據(jù)受力大小，給出相應的電動勢。

　　1.2 自動投料

　　該系統(tǒng)設計了16個儲料杯，如圖1所示。

　　以1號料杯為原點，設計使初始位置時料斗在1號料杯正上方。設備啟動后，開始稱重配料。料斗門開啟信號到來后，等待卸料，時間到使2號料杯移動到原點位置，即料斗門下方。然后是3號料杯，4號料杯，依次類推，最后投放16號料杯。16號料杯投放結(jié)束，使1號料杯回到原點，完成一個工作循環(huán)。料杯整體安裝在一個十字滑臺上，通過滑臺的移動來帶動料杯移動?；_可以在X和Y兩個方向上移動，這兩個方向上的移動是通過步進電機帶動滾珠絲杠副來實現(xiàn)的。步進電機采用PLC來進行控制。

　　1.3 控制要求

　　系統(tǒng)設手動和自動兩種工作模式?；_不但可以在16個工位之間來回往返運行，還可以進行手動調(diào)整。自動模式下，按啟動按鈕滑臺開始啟動，按停止按鈕，滑臺走完一步后停止。手動模式下，設四個方向控制按鈕(點動)，X+, X-,Y+, Y，按任→按鈕滑臺移動，松按鈕滑臺立即停止。

2 控制方案設計

　　2.1 硬件實現(xiàn)

　　如圖2所示為該系統(tǒng)的組成框圖。

　　該系統(tǒng)的特點:

　　1)采用步進電機驅(qū)動十字滑臺

　　步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。它作為執(zhí)行元件的一個顯著特點就是快速啟停及定位準確。如果負載不超過步進電機所能提供的動態(tài)轉(zhuǎn)矩值，就能在瞬間使步進電機啟停。并且它的轉(zhuǎn)速與停止位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載等其它環(huán)境因素的影響，因為得到了廣泛應用。采用步進電機控制十字滑臺相對于液壓滑臺和機械滑臺來說，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)對步進電機進行控制

　　步進電機的控制和驅(qū)動方法很多，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，脈沖分配和功率放大是通過步進電機驅(qū)動器實現(xiàn)的。這種控制驅(qū)動方法，電路結(jié)構(gòu)簡單，維護方便，可以實現(xiàn)復雜的控制功能，大大縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期，并且占用CPU時間較少。

　　3)采用PLC本機自帶的高速脈沖輸出端實現(xiàn)脈沖信號輸出

　　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電機的控制要求。這樣就不需要采用單獨的位控模塊，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點數(shù)

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

一個啟動信號按鈕，一個停止信號按鈕。四個點動按鈕分別控制滑臺的X+, X-, Y+,Y-四個方向上的運動。一個原點限位開關(guān)，X向、Y向兩個終點限位開關(guān)。共需11個輸人點。

　　該系統(tǒng)需要以下輸出信號:兩個高速脈沖輸出端分別用于驅(qū)動X向和Y向兩個方向上的步進電機。兩個方向控制位控制滑臺的運動方向(即步進電機轉(zhuǎn)向)，一個運行指示燈，一個停止指示燈。共需6個輸出點。

　　2.2.2 PLC機型選擇

　　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個輸入點，10個輸出點，256個定時器，256個計數(shù)器，2個高速脈沖輸出端，最高頻率為20kHz。它是一種緊湊型的PLC，最多可以擴展七個模塊。其I/O分配表如表1所示。

　　2.2.3 步進電機和驅(qū)動器的選擇

　　步進電機選用德國Hamde}fiurg公司2304HS42Al型電機，該電機是兩向混合式步進電機，與之配套的驅(qū)動器選用ASD-545E兩相步進電機驅(qū)動器。比市場上其他普通驅(qū)動器具有更低的電機發(fā)熱、運行噪聲和更高的平穩(wěn)性，以及更低的成本。其微步細分數(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;具有自動半流，過壓和過流保護等功能。

　　2304HS42A 1型兩相混合式步進電機步距角為1.8°，即在無細分的條件下，200個脈沖使步進電機轉(zhuǎn)一圈(200*1.8° =360 0)。通過驅(qū)動器設置細分精度，最高可以達到25600個脈沖轉(zhuǎn)一圈。

　　硬件接線圖如圖3所示。

　　2.3 軟件設計

　　2.3.1 參數(shù)計算

　　由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)知，滑臺的行程正比于步進電機的總轉(zhuǎn)角，因此，只要控制步進電機的轉(zhuǎn)角即可控制滑臺上料杯的位置，使其依次到達原點位置接料。而步進電機的轉(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需輸出的脈沖個數(shù):

2.3.2程序設計

　　軟件采用模塊化程序設計方法，主要由主程序、手動控制程序、自動控制程序、初始化子程序四個模塊組成。

　　1)主程序設計

　　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，設置包絡表。

　　步進電機的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，對于步進電機來說，對啟停速度和最大運行速度是有要求的。啟動頻率太高會造成步進電機失步，停止頻率太高會使步進電機超速，頻率太低又會造成振蕩。步進電機的最高運行頻率是限制步進電機高速運行的極限條件。超過這個條件，電動機動態(tài)轉(zhuǎn)矩下降，負載能力變差，轉(zhuǎn)子受轉(zhuǎn)動慣量的影響會超出穩(wěn)定區(qū)造成失步。所以在步進電機的控制中，必須建立包絡表，確定啟動頻率、恒速運行頻率和停止頻率。

　　步進電機的啟停曲線如4所示:

圖4啟停曲線

　　設置包絡表如下，以X向步進電機為例:

　　4)自動子程序

　　采用順序控制程序設計方法，順序控制程序設計法是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行編程，它既有流程圖的直觀，又有利于復雜控制邏輯關(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)實踐驗證，該系統(tǒng)大大地提高了摩擦材料生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，降低了工人的勞動強度，并且避免了粉塵對工人健康的危害，值得在相關(guān)行業(yè)推廣使用。