数字液压缸在机械控制系统中的应用研究

2012-10-20刘辉王晓刚

河南科技 2012年22期

关键词：分配器计数器液压缸

刘辉王晓刚

（内蒙古霍林河露天煤业股份公司, 内蒙古霍林郭勒 029000）

1 数字液压缸

数字液压缸主要有步进电机、减速齿轮和液压力放大器等几大部分组成。数字液压缸的工作正是由步进电机接受控制电路所输出的脉冲信号，然后进行信号转换和信号的功率放大，驱动液压缸输出功率及位移。

2 PLC对数字液压缸的控制方案

本文所述掘进机器人即是通过 PLC 直接控制数字液压缸，从而带动悬臂的上下和左右的摆动，从而实现掘进机器人的仿形切割。其数字液压缸控制方案如图1 所示。

图1 数字液压缸控制方案

3 PLC对数字液压缸的控制过程

PLC 控制数字液压缸主要有三个因素：

1）行程控制，数字液压缸活塞的行程正比于所输入的控制脉冲个数

式中， LΔ——数字液压缸活塞位移量（mm）；

δ——活塞位移的脉冲当量（mm/脉冲）。

2）速度控制，数字液压缸活塞的速度取决于PLC 输出的脉冲频率

式中，fv——数字液压缸活塞的进给速度（mm）。

3）运动方向控制，步进电机的转向控制数字液压缸的运动方向，因此可以通过PLC 的输出端输出高低电平的方向控制信号来改变硬件环形分配器的输出顺序，或者通过编程来改变PLC 输出脉冲的顺序，从而改变步进电机绕组的通电顺序。

数字液压缸控制系统由可编程控制器（PLC）、步进电机功率驱动器和环形分配器所组成。

PLC 输出一定数量的数字脉冲信号，控制步进电机的转角，从而控制数字液压缸的运动，同时PLC 可以通过编程来控制输出脉冲的频率，进而可以控制数字液压缸活塞运动的速度。PLC 通过环行脉冲分配器将其输出的控制脉冲按步进电机的通电顺序分配到相应的绕组。步进电机采用软件环行分配器和硬件环行分配器均可[。步进电机功率驱动器可以放大PLC 输出的控制脉冲，通常功率步进电机需要几十伏到上百伏、几安到十几安的驱动能力，虽然PLC 的输出接口具有一定的驱动能力，而通常的晶体管直流输出接口的负载能力仅为十几到几十伏、几十到几百毫安，所以必须采用驱动器对输出脉冲进行放大。

本文所述掘进机器人，共有三个数字液压缸，均采用硬件环形分配器，每个数字液压缸占用PLC 的IO 口点数为3点，其中I 口一点，为启动控制信号，O 口占用2 点，一点为PLC 的脉冲输出接口，另一点输出步进电机的方向控制信号。接口分配如图2。

图2 PLC 控制数字液压缸的接口分配

若使PLC 输出脉冲，可采用两种方法：

1）通过PLC 软件编程。三菱FX2N 系列PLC 的编程指令中，PLS/PLF 为脉冲输出指令，使用指令PLS，元件仅在驱动输入接通后的一个扫描周期内动作；使用PLF 指令，元件仅在驱动输入断开后的一个扫描周期内动作。输出的脉冲总数可以用计数器来控制，当脉冲总数达到我们所要求值时，计数器可以切断脉冲输出回路。计数器可以采用断电保持式增量计数器，它能够在断电后保持已经记下的数值，再次通电后，只要复位信号从来没有对计数器复位过，则计数器将在原来的基础上，继续计数。输出的频率可以通过定时器的定时常数控制周期。在对数字液压缸运动速度要求较高时，可以使用PLSY 指令，即以指定的频率产生指定数量的脉冲的指令。

2）采用脉冲输出模块。三菱 FX2N 系列 PLC 配备有FX2N-1PG 脉冲输出模块，它配备有便于定位控制的七种操作模式，FX2N 可以连接多达 8个块，输出脉冲频率高达100kHz，定位目标的追踪、运转速度以及各种参数可以通过PLC 的FROM/TO 指令设定，除脉冲输出外，还备有各种高速响应的输出端子。FX2N-1PG 脉冲输入输出性能见表1。