0 引言

　　摩擦材料是生產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)的一種非常關鍵的材料。據數據顯示，摩擦材料有80％應用于汽車剎車片生產，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，我們設計并實現了摩擦材料生產線自動投料系統(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，與電阻應變計構成一體后，成為雙向測力元件。在外加激勵電壓后，能根據受力大小，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

　　如圖2所示為該系統(tǒng)的組成框圖。

　　該系統(tǒng)的特點:

　　1)采用步進電機驅動十字滑臺

　　步進電機是一種將電脈沖信號轉變?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)轉矩值，就能在瞬間使步進電機啟停。并且它的轉速與停止位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，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)采用軟一硬結構對步進電機進行控制

　　步進電機的控制和驅動方法很多，按找控制結構可分為:硬脈沖生成器硬脈沖分配器結構(硬一硬結構)、軟脈沖生成器軟脈沖分配器結構(軟一軟結構)、軟脈沖生成器硬脈沖分配器結構(軟一硬結構)。該系統(tǒng)采用軟一硬結構。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動器實現的。這種控制驅動方法，電路結構簡單，維護方便，可以實現復雜的控制功能，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脈沖信號輸出

　　現在絕大多數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

　　該系統(tǒng)需要以下輸入信號:一個手/自轉換開關(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，X向、Y向兩個終點限位開關。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，與之配套的驅動器選用ASD-545E兩相步進電機驅動器。比市場上其他普通驅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。其微步細分數有巧種，最大步數為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一圈(200*1.8° =360 0)。通過驅動器設置細分精度，最高可以達到25600個脈沖轉一圈。

　　硬件接線圖如圖3所示。

　　2.3 軟件設計

　　2.3.1 參數計算

　　由系統(tǒng)結構知，滑臺的行程正比于步進電機的總轉角，因此，只要控制步進電機的轉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。而步進電機的轉角正比于所輸入的脈沖數。因此可以根據料杯間距確定PLC需輸出的脈沖個數:

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)轉矩下降，負載能力變差，轉子受轉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 結束語

　　該系統(tǒng)將PLC用于摩擦材料生產線，操作方便，可靠性高，成本低廉。經實踐驗證，該系統(tǒng)大大地提高了摩擦材料生產線的生產效率，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，值得在相關行業(yè)推廣使用。