西门子6ES7222-1HF22-0XA8厂家质保
0 引言
目前国内同类设备多是垂直层绕（焊丝与收线轴垂直），设备易受干扰，停车频繁，焊丝的张力不均。基于滞后角控制的自动排线系统可提高排线的精度和性能。通过可编程控制器PLC进行角度闭环控制，使焊丝以固定的滞后角度β在工字轮上进行高速层绕。PLC检测到角度值并与设定值比较，偏差使PLC发出脉冲信号给伺服电机驱动直线单元运动，使偏差趋于零，以达到焊丝以固定滞后角层绕。利用人机界面完成设备数据的输入和实时监测。设计实现了在换向区外正常速度跟踪，换向开关动作后快速追赶至同步速度跟踪，焊丝到达工字轮边缘后形成新的滞后跟踪的自动排线系统的控制，满足了排线系统自动平稳排线的要求[1>-[2>。
1 层绕的工艺原理
自动排线器的结构如图1所示。排线器采用滞后角排线，伺服电机通过滚轴丝杠及滑轨推动排线器以一定的角度排线。在收线工字轮的内径区域，当从一侧向另一侧排线时，整个区域分成一般跟踪和换向跟踪两个区域。在一般跟踪区域采用固定滞后角跟踪模式，在换向区内采用变角度跟踪模式。由于焊丝在层绕至工字轮边缘时，会自动向方向层绕，在这个过程中，不允许焊丝有超前角度层绕，否则焊丝间会出现缝隙，下一层将出现瑕疵，层绕将被迫中断。换向区内的角度检测与控制至关重要。
Fig1 Automatic Arranging Welding Wire System
图1 焊丝层绕机自动排线器
Fig2 The Change Process of Angle in reversing Area
图2 换向区内角度的变化过程
通过换向开关动作自动形成直线单元移动方向标志，左换向开关置位右行标志，复位左行标志;右换向开关置位左行标志，复位右行标志。收线与倒线开关的上升沿将对直线单元的左右行走标志取反。以收线右换向为例，当右换向开关动作瞬间，直线单元以6倍基速快速推进至β≤0;当主电机继续旋转，直线单元以基速继续跟踪，当焊丝缠绕接近至工字轮的右边一圈线时，直线单元停止，复位直线单元右行标志，置位左行标志。收线左换向同理于收线右换向。收线左行时，角度α维持≤中心角+滞后角;右行时，角度α维持≥中心角-滞后角。换向区内角度的变化过程如图2所示。
2控制系统结构以及工作原理
2.1控制系统结构
Fig3 The Control System for Arranging Welding Wire
图3 排线器控制系统
Fig4 The Control Block
图4 控制方框图
根据排线器的排线原理，控制系统必须完成排线角度的实时检测。设计采用1000线增量式编码器与PLC程序的结合实现的数字角度传感器进行排线角度的实时检测，传感器的分辨率为0.09°，满足小线径为0.8mm的焊丝在主轴上层绕一圈角度检测的要求;通过接近开关的动作来实现直线单元正常区域和换向区域的跟踪;通过PLC的输出脉冲控制伺服电机驱动直线单元的运行[3>。
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2.2直线单元工作原理
直线单元的行进速度应与主轴转速相匹配。通过主轴上安装的速度传感器，测算出主轴的旋转角速度N（转/秒）。工字轮上焊丝沿轴向的移动速度为V=N＊Φ，其中Φ为焊丝线径，单位mm，V的单位为mm/s。为保持排线机构与主轴上焊丝移动速度的同步，即保持固定的滞后角，直线单元的推进速度应等于V。为确保滞后角的jingque同步，直线单元的行进速度应等于V加上角度回路输出值（偏移量），V转换成伺服电机的转速（脉冲数/秒）为：
脉冲速率=M＊N＊Φ/d（个/秒） （1）
其中, N为主轴的旋转角速度（转/秒）, Φ为焊丝线径（毫米）,M为伺服电机的码盘的每圈线数，d为滚轴丝杠的导程（毫米/转）。
根据式2-1伺服电机给定脉冲速率的计算公式，其取值范围为0～25000 P/S，故MV的输出饱和上限值应设为2500P/S。
3基于角度控制的程序编制
3.1排线角度检测
Program1 Angle Measuring
程序1 角度检测
Program2 Master Speed Measuring
程序2 主速度检测
硬件高速计数器采用4倍频的工作模式，在中断服务程序中实现角度传感器的回零功能。如程序1所示。
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3.2主轴速度检测
采用M测速法，以固定时间中断（不受PLC程序扫描时间的影响）的方式测算主轴速度，即由每0.4秒光电码盘的计数脉冲值测算出主轴速度。如程序2所示。
3.3滞后角层绕的闭环控制
这部分程序是层绕机控制系统软件的核心，流程框图见图5所示。
Fig5 Program Flow Block for winding by layer
图5 层绕程序流程图
4 结 论
本文作者创新点：采用角度控制的自动排线器使得焊丝层绕的张力均匀，换向平稳，设备运行倒车率低，焊丝质量大大提高。通过若干工程的应用表明，角度传感器检测准确且灵敏度高，直线单元滞后角跟踪稳定、换向准确，极大提高系统的稳定性、可靠性。
PLC(可编程序控制器)以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、使用方便、控制程序可变、体积小、功能强等特点，得到了广泛应用。
我国20世纪90年代以前生产的机床、轧机、喷涂生产线等机电设备，普遍采用继电器控制，由于继电器的自身特点，对电气元件故障的识别能力较弱。为了提高控制系统的可靠性和机床的加工效率，采用PLC对控制系统进行改造，取得了一定效果。但在采用PLC对原有继电器控制的机电设备进行改造的过程中，除了考虑完成系统工作所需要的控制功能以外，还非常有必要考虑机床电气元件本身故障的自动识别和处理。
一、机床电气系统进行PLC改造的基本方法
利用PLC改造机床电气系统，可大大简化电气线路。它的设计方法是，将各个电气元件直接与PLC的各个输入、输出端口相连，元件之间的连接关系，以及各线圈的状态由逻辑程序确定，元件之间不存在直接的串联或并联，线路简单，而逻辑关系由程序确定，维护和设计比较容易。
1.1 电气元件与PLC的硬件连线
电气元件与PLC的连线主要就是将控制电路所需要的各开关、按钮、继电器触点、接触器辅助触点等连到PLC的输入端口，并确定各触点对应的端口号，1个元件的多个触点一般只需要连接1个输入口。继电器线圈、接触器线圈、电磁阀线圈、指示灯、照明灯等耗能元件连接输出端口，建立输入、输出端口分配表，各端口号将是逻辑程序进行逻辑运算的重要逻辑量。
1.2 逻辑程序设计
在将各元件与PLC的端口连接以后，还需要编写逻辑程序，确定各输出端口得电、失电的逻辑条件，从而控制各输出端口对应耗能元件的状态。逻辑程序的编写应根据机床的控制要求和原来继电器控制线路中的逻辑关系进行。PLC在运行时，能够采集各输入端口的状态，并根据建立的逻辑程序进行逻辑运算，控制各输出端口，使与输出端口相连接的各线圈得电或断电，从而控制电动机、液压系统和其他电气元件工作，即通过开发逻辑程序代替原来元器件间的串、并联接线。
采用上述方法可以完成机床工作所需要的控制要求，结合PLC的功能特点，可以考虑在已有的元器件基础上通过编写逻辑程序或者根据需要添加少量元件就能实现机床的故障自诊断，这对于提高机床的可靠性、高效性、易维护性、避免事故的发生是非常有利的。
二、故障的自诊断设计
2.1 开关信号量的故障诊断设计
PLC控制机电设备时，设备中的开关、按钮、继电器的触点等开关信号与PLC的输入端口相连，每个输入端口在PLC的内存中为1个地址。通过读取PLC输入位的状态值作为识别开关量故障信号的依据。诊断开关量故障的实质是将PLC正常的输入位状态值与相应输入位的实际状态值作比较:如果二者比较的结果是一致的，则表明设备处于正常工作状态；若不一致，则表明对应输入位的元件处于故障状态。下面就常用的几种诊断方法作一叙述。
2. 1. 1 逻辑错误故障检测诊断法
在机床设备正常工作的情况下，控制系统的各个输入、输出信号和内部继电器的信号之间存在确定的逻辑关系，一但输入元器件发生故障，就会引起逻辑错误，控制系统不能按设计的要求进行工作。在这种情况下，我们可以根据元器件发生的故障，建立元器件故障发生时的逻辑关系。一旦故障发生，就能作出相应的警告和处理，如停止进给，停止主轴转动等。
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图1所示的组合机床滑台工作时检测3个行程开关X00l(起点)， X002(快进终点)，X003(工进终点)是否正常的逻辑程序。Y030，Y031，Y032表示快进、工进、快退。表示在任何一个工作状态下，这3个行程开关任何2个都不应该闭合，如果闭合，则表示有行程开关失灵的故障发生，应该进行停机检查。
2. 1. 2 附加触点连接诊断法
在进行机床的PLC改造时，往往只是根据系统控制的需要，接入必需的外部输入元器件触头，这可以节约输入点数。但为了提高系统的可靠性，可以考虑把一些非常重要的元器件的常开触点和常闭触点分别接到PLC的2个输入点，并在软件部分加上相应的检测判断程序，以实现在出现卡死或失效时能准确找出故障所在。
如在电气控制系统中有一中间继电器K，其一常开触点与X401输入端口相连，为了能够自动判断继电器K是否卡死或失效，现将其常开触点与X401相连，另一常闭触点与X402相连，如果卡死或发生失效，在继电器K线圈得电时，常闭触点断开了，但常开触点没有闭合；我们可采用图2的逻辑关系进行检测，即可发现故障。在端口数量有多余的时候，多串入1个常闭触点，有利于准确发现故障。
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2. 1. 3 时间限制法
自动机床在工作循环中，各个动作都要求在一定的时间内完成，超过了规定的时间限制还没有完成动作，则可认为是机床设备运行出现故障，可以在被检测工步动作开始时，启动一个定时器，定时时间可以根据实际情况确定，但应比正常工作所需时间要长一些，如果定时器有输出信号则说明已出现故障，可以采取相应的处理措施。
图3表述了在组合机床上快进转变为工进时的故障检测程序，Mll0表示快进工步，压下行程开关后，应转变为工进，如果超过了规定的时间限制未切换，应视为在快进工步上出现了故障，出现故障的原因可能是行程开关，也可能是液压元件或其他电气元器件。不能确定是何种故障原因，但能确切地控制故障的继续发生。
2.2 模拟信号量的故障诊断设计
由于PLC具有模拟量的处理功能，在进行机床PCL控制改造时，对一些比较重要的能反映机床工作状态的参数，如液压系统的压力、流量，机床重要机械部件的温度、振动等参数，可以考虑选用相应的传感器或变送器与PLC的专用A/D模块对机床工作参数实现实时检测，并与极限要求值进行比较，以判断机床工作状态是否正常，若不正常，则可以进行显示、报警或者停机等处理。机床设备参数的检测流程框图见图4。
三、结语
在进行机床PLC改造的过程中，在完成主要的控制要求设计基础上，应该附加考虑利用PI刀程序控制的功能特点，通过编写逻辑程序和添加少量电气元器件的基础上进行机床设备故障的自诊断和及时的处理，这样，可以提高机床的可靠性，提升机床的工作效率，改善机床的自动化程度。