基于20GM定位模块的人字齿轴辊自动堆焊机控制系统

潘玉山

（江苏联合职业技术学院，江苏 靖江 214500）

基于20GM定位模块的人字齿轴辊自动堆焊机控制系统

潘玉山

（江苏联合职业技术学院，江苏 靖江 214500）

针对原始轴辊堆焊设备定位精度差、加工质量不稳定、堆焊效率低等缺陷，提出利用FX2N- 20GM定位模块、FX2N系列PLC和步进电机组合的控制系统方案。实践表明，该控制系统能实现焊枪与轴辊联动控制，保证轴辊获得准确堆焊齿形，大大改善工作环境，提高加工效率。

人字齿轴辊；20GM定位模块；PLC；控制系统

0 引 言

人字齿轴辊是碾碎机械的关键部件，也是易损件之一。如何提高人字齿轴辊的使用寿命和快速生产加工与修复，已成为碾碎加工提高生产率、降低消耗的重要课题。人字齿轴辊加工与修复的关键宜解决以下两个问题：一是保证齿面具有足够的硬度（>HRC55）与耐磨性；二是形成人字齿形。堆焊技术以其堆焊层质量稳定、表面成形美观、硬度高、耐磨性好、耐疲劳性强等优点可以解决问题一[1]；问题二的解决则需要借助于专用堆焊设备，通过控制焊枪和轴辊间的相对运动完成所需要的堆焊形状。由于可编程控制器（PLC）是专门在工业环境下应用而设计的一种工业控制计算机，具有抗干扰能力强、可靠性高等显著优点，是实现机电一体化的理想控制装置[2]。通过实践与深入研究，本文提出利用PLC和定位模块控制步进电机的人字齿轴辊自动堆焊机的控制系统。

1 控制系统硬件设计及实现

1.1 人字齿轴辊堆焊基本生产工艺

结合堆焊工艺要求和轴辊人字齿形（见图1）的特点，拟采用分层堆焊一个齿后，再堆焊加工第二个齿，依此类推。依据该控制系统的工作流程，可以得出其堆焊步骤为：（1）动力开启；（2）机械、电气原点回归；（3）各轴快进至工作位置；（4）堆焊轮齿第一层；（5）堆焊轮齿第二层（根据层高要求堆焊第三层等）；（6）分度；（7）重复（3）～（5）的动作，完成所有轮齿堆焊，并符合尺寸、硬度要求；（8）原点回归。

图1 堆焊轴辊人字齿形

1.2 控制系统的组成

考虑到其经济性，堆焊机在普通C6140×1500机床的基础上改造而成，并将机床的旋转向作为Z轴，机床纵向作为X轴，横向作为Y轴。纵、横向直线运动采用滚珠丝杠步进电机驱动。控制系统采用触摸屏（选用A960GOT）输入显示数据，通过PLC(选用FX2N-32MR)和定位模块（选用FX2N-20GM）控制步进电机，以控制焊枪按照齿形要求堆焊轴辊。从堆焊加工过程来看，主要包括焊枪纵向（左右）运动与轴辊旋转运动、焊丝送进运动、焊枪横向（前后）调整等主要动作，而这些动作分别由对应电机驱动完成，其中焊枪纵向（左右）运动与轴辊旋转运动需要用20GM定位模块来实现。此外，控制系统还具备实现对焊剂控制阀、焊接电源控制，以及对焊接电源的检测等辅助控制部分。利用PLC和定位模块实现人字齿轴辊自动堆焊机控制系统的设计如图2所示。

图2 人字齿轴辊自动堆焊机控制系统

2 控制系统软件设计及实现

2.1 20GM定位模块参数及m码操作

20GM定位模块通过参数设定才能满足各方面要求。定位模块参数主要包括定位参数、I/O控制参数和系统参数三种类型，每种类型又包括若干参数，如定位参数含单位体系、机械零点和速度等。相关参数具体设定和操作方法参见《三菱FX2N-10GM 和 FX2N-20GM硬件/编程手册》[3-4]。

定位模块m码指令用来驱动各种协助定位操作设备，如轴辊旋转运动和焊枪纵向（左右）运动。在执行定位程序时，m码被驱动，m码开信号打开，并作为状态信号存在定位模块对应的特殊辅助继电器（Ms）中，同时被驱动的m码编号被存入对应的特殊数据寄存器（Ds）中，在m码关闭信号未打开前，m码始终保持打开状态。m码的关闭一般是由PLC发送m码关闭命令传送给定位模块对应的特殊Ms，并改变开信号对应特殊Ms的状态。m码信息与特殊Ms/Ds及缓冲存储器（BFM）的对应关系见表1。

表1 m码信息与特殊Ms/Ds及BFM的对应关系

2.2 20GM定位模块与PLC之间的通信

由于对自动堆焊机系统的控制是由PLC和20GM定位模块共同来完成的，因而两者之间必须实现通信。PLC用FROM/TO指令对20GM定位模块内部BFM进行读写操作，以达到两者之间的信息交换。FROM指令是把定位模块BFM中的内容读到PLC中，TO指令则与FROM指令相反，是把PLC的内容写到定位模块BFM中,如图3所示。在20GM定位模块中，一旦m码被驱动，PLC通过FROM指令读信息，执行PLC直接控制的辅助设备操作，而此时20GM定位模块处于等待状态。当辅助设备操作结束，PLC通过TO指令发送m码关闭命令，使20GM定位模块继续执行定位程序[5]。20GM定位模块与PLC之间的通信程序如图4所示。

图3 20GM定位模块与PLC之间的通信

图4 20GM定位模块与PLC之间的通信程序

图4中，X1为启动按钮，X2为停止按钮，M1为辅助动作1（送焊剂、送丝、引弧）完成信号，M2为辅助动作2（灭弧、停止送丝、关焊剂）完成信号，Y11控制辅助动作1，Y12控制辅助动作2。加工参数先通过人机界面写到PLC中，再用PLC TO指令，将其写到定位模块，自动堆焊机则按照这些参数完成堆焊运动，直至加工出所需要的堆焊齿形。m码被驱动时，PLC用FROM指令读m码打开信号及m码的编号，使M51接通，并调用解码指令DECO对读到的m码编号进行解码。M10驱动时，解码为M110接通，驱动Y11，同样，M11驱动时，解码为M111接通，驱动Y12。辅助动作1、2结束，分别使M31、M32接通，均驱动M3。M3信号作为m码关闭命令，通过PLC TO指令传送给定位模块，实现了m码的关闭。如此，程序按照预先设定一步一步执行每个动作，完成整个加工过程。

2.3 20GM定位模块两轴联动加工程序

当该控制系统启动后，第一次按下“启动”按钮，控制系统两坐标轴自动、单独回原点，原点位置均为0。在该控制系统回原点后，再次按下“启动”按钮，自动完成如下动作循环：（1）送焊剂、送丝、引弧；（2）X轴、Z轴插补到X400，Z150；（3）再插补到X800，Z0；（4）灭弧、停止送丝、关焊剂；（5）快速到原点；（6）重复（1）～（5）步骤；（7）Z轴快速定位相对值14；（8）重复（1）～（7）98次，动作结束。

为了实现以上动作控制，需要对PLC与20GM定位模块编制两种不同的控制程序。在PLC中主要进行输入、输出的逻辑处理与模块动作控制；在20GM定位模块中主要进行定位控制。同时必须对20GM定位模块设定相应的控制参数。其加工程序[6]如下：

3 结束语

利用PLC和20GM定位模块可充分体现人字齿轴辊自动堆焊机控制系统灵活、可靠性高的特点，完全满足轴辊堆焊加工要求，克服原有加工设备劳动强度大、质量不稳定等缺陷，提高定位精度，较之人工定位方式提高生产效率近10倍。更重要的是，该堆焊设备改善了加工环境，提高了材料利用率，避免了二次人工修整打磨，降低了资源消耗，符合“循环经济”的要求。

[1]关旭，柳长青，王文，等.辊子自动堆焊设备的研制[J].焊接，2008(3):64-66.

[2]唐立伟，李和平.FX2N-20GM在玻璃钻孔加工中的应用[J].电气应用，2008(12):12-14.

[3]三菱电机公司.三菱FX2N-10GM和FX2N-20GM硬件/编程手册[M].MITSUBISHI，2000:4-17.

[4]李红，董伟.基于FX_(2N)-10GM定位模块的圆台磨床数控系统[J].机床电器，2007(4):16-18.

[5]祝铭尉，许昌，魏艳红.数控弯管机中定位模块的应用[J].机械工程师，2007(2):125-126.

[6]黄菊生，刘美俊，龚存宇，等.三菱定位控制单元m码通信及应用开发[J].电气传动，2006(8):51-53.

[责任编辑：蔡 兵]

Control System of Automatic Surface Welding Machine of Herringbone Gear Shaft Roller Based on 20GM Positioning Module

PAN Yushan
(Jiangsu Joint Vocational & Technical College, Jingjiang, 214500, China)

In the light of the inaccurate positioning, instable processing and low efficiency surface welding of the original shaft roller equipment, this paper presents a control system consisting of FX2N-20 GM positioning module, PLC of FX2N Series and stepping motor. It shows that the system can obtain the joint control of welding torch and shaft roller, and ensure the accurate welding gear of shaft roller, which has greatly improved the working environment and promoted the processing efficiency.

Herringbone gear shaft roller; 20GM positioning module; PLC; Control system

TP273

A

1671-4326(2011)01-0059-03

2010-12-11

潘玉山（1967—）男，江苏扬州人，江苏联合职业技术学院高级讲师，硕士.