基于PLC的臺(tái)式鉆床的自動(dòng)化控制系統(tǒng)研究
2019-3-4 來源：陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 作者：司昌練，羅 梅
摘 要：為滿足機(jī)床加工需求和提高加工效率，將傳統(tǒng)臺(tái)式鉆床加工方式進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)了一種基于 PLC 自動(dòng)化控制的鉆床加工系統(tǒng)。以PLC作為控制器，換向電磁閥、伺服電機(jī)、液壓缸為驅(qū)動(dòng)設(shè)備的控制方法，重點(diǎn)講解了液壓回路、控制系統(tǒng)的硬件組成、電控原理以及PID參數(shù)對(duì)控制電機(jī)影響。最后，成功連接整個(gè)控制系統(tǒng)回路，并進(jìn)行鉆床調(diào)試和實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：該鉆床自動(dòng)化加工控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，能夠達(dá)到實(shí)際加工要求。
關(guān)鍵詞：臺(tái)式鉆床；控制系統(tǒng)；液壓回路 PLC
引言
隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展、智能制造技術(shù)不斷完善，對(duì)工件加工精度提高了要求，特別是機(jī)床和鉆床加工。因此，自動(dòng)化加工系統(tǒng)進(jìn)一步提高和改善，對(duì)工件加工具有重要的意義。
目前，在傳統(tǒng)制造行業(yè)中，傳統(tǒng)鉆床加工存在了很多不足之處急待解決：第一，傳統(tǒng)鉆床加工過程中自動(dòng)化不足，面對(duì)大批量產(chǎn)品需要加工時(shí)，加工速度很低；第二，面對(duì)極其惡劣的加工環(huán)境下，工人加工效率低；第三，自動(dòng)化程度低，直接影響到零件加工精度低下，增加了生產(chǎn)成本等[1]。因此，對(duì)自動(dòng)化加工系統(tǒng)的研究是我們當(dāng)前主要任務(wù)，國(guó)內(nèi)外也有很多專家取得了突破。例如：夏長(zhǎng)富[2]研究的西門子 S7-200 PLC 的氣動(dòng)控制搖臂鉆床，闡述了其工作原理，設(shè)計(jì)出電氣原理圖；鄧昌奇[3]對(duì)數(shù)控鉆床的自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與應(yīng)用，對(duì)鉆床裝置結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也能很好地驗(yàn)證其檢測(cè)效果；許家忠、王東野[4]等研究了一種基于嵌入式控制器的數(shù)控鉆床控制系統(tǒng)，采用了VC軟件對(duì)控制系統(tǒng)的上位機(jī)界面進(jìn)行了編寫，并且采取了一種新的算法SA對(duì)加工路徑進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；國(guó)外也有相關(guān)研究，日本鉆床研究院[5]設(shè)計(jì)了一款主軸自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多軸控制、主軸進(jìn)給速度控制，提高了主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度。
本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)化臺(tái)式鉆床加工控制系統(tǒng)主要是建立在傳統(tǒng)鉆床加工基礎(chǔ)之上，進(jìn)行了一些改進(jìn)。電機(jī)與主軸之間是通過皮帶進(jìn)行傳動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)；而鉆床 Z 向垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)主要是通過液壓缸進(jìn)行傳動(dòng)。控制系統(tǒng)的改進(jìn)創(chuàng)新點(diǎn)在于：①系統(tǒng)控制電機(jī)采用伺服電機(jī)，可以精度控制進(jìn)給位置和速度；②控制過程中主要采用PID算法進(jìn)行閉環(huán)控制。
1 、臺(tái)式鉆床平臺(tái)的搭建及系統(tǒng)控制要求
1.1 鉆床結(jié)構(gòu)組成
如圖1所示，是設(shè)計(jì)的一款臺(tái)式鉆床模型圖。其主要組成結(jié)構(gòu)有：活塞桿、液壓缸筒、皮帶輪、伺服電機(jī)等等。電機(jī)與主軸之間是通過皮帶進(jìn)行傳動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)；而鉆床 Z 向垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)主要是通過液壓缸進(jìn)行傳動(dòng)。
1.2 系統(tǒng)控制要求
將待加工的工件放到臺(tái)式鉆床工作臺(tái)上，調(diào)整X、Y（即前后、左右）方向的方向輪，待工件位于鉆頭垂直正下方時(shí)，啟動(dòng)電機(jī)開關(guān)，使得主軸開始轉(zhuǎn)動(dòng)，然后按下液壓泵電機(jī)開關(guān)，啟動(dòng)液壓泵電機(jī)，最后按下進(jìn)給運(yùn)動(dòng)開關(guān)，使得鉆床開始對(duì)工件進(jìn)行加工處理。臺(tái)式鉆床加工工件具體工步順序要求如下：加工工步要求：
（1）工作臺(tái)X、Y方向水平移動(dòng)情況：X方向移動(dòng)是靠導(dǎo)滾珠絲杠完成的，Y方向移動(dòng)也是靠滾珠絲杠完成的，兩者都是由手動(dòng)操作方向輪來精確調(diào)節(jié)工件的具體位置。
（2）變頻調(diào)速[5-6]：控制過程中采用變頻器進(jìn)行調(diào)速，提供準(zhǔn)確的速度控制，便于控制鉆床快進(jìn)、工進(jìn)、快退。
（3）工件整個(gè)加工過程可以分兩種方式來完成：
①自動(dòng)循環(huán)加工：按下啟動(dòng)按鈕，鉆床按照事先設(shè)定的控制程序連續(xù)完成對(duì)工件加工，直到按下停止按鈕，否則加工工作一直進(jìn)行；
②手動(dòng)操作：在設(shè)計(jì)過程中，鉆床啟動(dòng)、停止、主軸快進(jìn)、工進(jìn)、快退等 5 個(gè)動(dòng)作步設(shè)置 5個(gè)按鈕分別控制鉆床每一步工序。
（4）當(dāng)按下鉆床啟動(dòng)按鈕后，鉆床主軸快進(jìn)、工進(jìn)、快退等工序過程必須設(shè)置行程開關(guān)，且每個(gè)動(dòng)作相互之間必須有互鎖作用。
（5）在加工過程中，控制活塞缸運(yùn)動(dòng)的液壓缸密封性良好。
2 、液壓回路設(shè)計(jì)
2.1 液壓回路基路本組成
液壓回路基本組成部分包括五大部分：液壓裝置、介質(zhì)、執(zhí)行元件、控制元件、輔助部分[6]。本文設(shè)計(jì)的臺(tái)式鉆床活塞桿機(jī)構(gòu)由液壓缸筒控制，其系統(tǒng)控制原理圖如圖2所示。
鉆床系統(tǒng)控制原理圖分為兩部分：第一部分（圖 1所示）伺服電機(jī)4、控制皮帶輪3，從而帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)；第二部分（圖2所示），當(dāng)工件到達(dá)指定加工位置時(shí)，三位四通電磁換向閥1左側(cè)1Y得電，液壓油快速進(jìn)入，實(shí)現(xiàn)主軸快進(jìn)工序；快進(jìn)結(jié)束后，三位四通電磁換向閥1Y、二位二通電磁換向閥3Y、以及兩位三通電磁換向閥4Y同時(shí)得電，此時(shí)主軸進(jìn)入工進(jìn)；當(dāng)加工完成后，三位四通電磁換向閥 2Y 得電，二位二通電磁換向閥 3Y、以及兩位三通電磁換向閥 4Y 失電，此時(shí)主軸進(jìn)入快退狀態(tài)。整個(gè)加工過程液壓控制回路電磁鐵動(dòng)作順序如表1所示。
2.2 液壓元件選型‘
本文設(shè)計(jì)臺(tái)式鉆床控制系統(tǒng)中主要相關(guān)元器件型號(hào)如表2所示。
2.3 液壓缸內(nèi)部直徑計(jì)算
根據(jù)實(shí)際加工過程中負(fù)載大小p1=4MPa，在主軸進(jìn)行工進(jìn)過程中，為了防止在工進(jìn)結(jié)束后繼續(xù)前進(jìn)，特此在回油路中增加背壓閥，且壓力值 p1=0.9MPa，活塞桿直徑d
=100mm。根據(jù)公式可得液壓缸直徑為：
3 、臺(tái)式鉆床電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 系統(tǒng)硬件組成
基于PLC的臺(tái)式鉆床控制系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)包括主控器 PLC以及外部輸入輸出設(shè)備。設(shè)計(jì)過程中主控制器采用三菱PLC，它包括電源、I/O、存儲(chǔ)器以及通訊端口；輸入設(shè)備包括傳感器、控制按鈕、行程開關(guān)；輸出設(shè)備主要包括換向電磁閥、電動(dòng)機(jī)、繼電器以及負(fù)載（例如報(bào)警燈，鳴笛等[8]）。控制系統(tǒng)基本組成結(jié)構(gòu)如圖3。
3.2 電機(jī)控制原理
如圖 4 所示，是控制鉆床主軸電機(jī) M1H 和控制液壓泵電機(jī) M2 原理圖。其中 QS1 和 QS2 表示控制電路中的斷路開關(guān)；FU表示熔斷器；接觸器KM1、KM2為接觸器開關(guān)，主要受 PLC 中 KM1、KM2 線圈控制，當(dāng)線圈得電時(shí)，接觸器開關(guān)閉合，相反接觸器開關(guān)斷開；熱繼電器FR1、FR2主要是起到保護(hù)電機(jī)的作用。
3.3 伺服電機(jī)
PID控制在自動(dòng)化加工臺(tái)式鉆床控制系統(tǒng)中，主軸的轉(zhuǎn)速受伺服電機(jī) M1 控制，加工過程中，主軸轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性至關(guān)重要，直接影響到工件加工精度。因此電機(jī)伺服控制對(duì)主軸的轉(zhuǎn)速具有重要的意義。如圖5所示，為電機(jī)的物理模型。
根據(jù)牛頓第二定律及基爾霍夫定律[8]，對(duì)圖5 示意列出方程組：
3.4 系統(tǒng)PLC編程
臺(tái)式鉆床自動(dòng)化加工控制系統(tǒng)主要有兩種控制方式：手動(dòng)開關(guān)控制和觸摸屏控制。主控器三菱 PLC 上的 I/O 口作為輸入、輸出，控制著整個(gè)鉆床動(dòng)作。
①在手動(dòng)控制情況下，通過開關(guān)來控制鉆床啟動(dòng)和停止，方便手動(dòng)調(diào)試和檢修；
②在觸摸屏控制方式下，有單周期和自動(dòng)循環(huán)選擇，通過點(diǎn)擊觸摸屏軟開關(guān)向觸摸屏輔助繼電器發(fā)出命令，從而控制輸出線圈通斷；其中 X0急停命令，X1 為啟動(dòng)命令，X2
、X3、X4、X5 為相應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)。經(jīng)上述分析，列出控制系統(tǒng)plc的I/O分配如表3所示。
其中，開SB1控制鉆床急停，SB2控制鉆床啟動(dòng)，SQ1、SQ2、SQ3別表示主軸快進(jìn)、工進(jìn)、快退等限位開關(guān)，具體如圖6所示。
3.5 系統(tǒng)控制流程分析
如圖 7 所示，鉆床自動(dòng)化加工控制功能流程圖，包括了主軸電機(jī)啟動(dòng)、液壓泵點(diǎn)擊啟動(dòng)、快速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、工進(jìn)運(yùn)動(dòng)、主軸停留、主軸快退、主軸停止等[5]。具體每一步工序分析如下：
（1）電機(jī)啟動(dòng)：當(dāng)初是脈沖 M8002 作用時(shí)，系統(tǒng)處原始狀態(tài)，當(dāng)給PLC命令時(shí)，KM1、KM2線圈得電，此時(shí)定時(shí)器 T1 定時(shí)，時(shí)間到時(shí)接觸器開關(guān) KM1、KM2 閉合，主軸電機(jī)和液壓泵電機(jī)主控線路接通，電機(jī)瞬間啟動(dòng)；
（2）快進(jìn)工序：當(dāng)檢測(cè)到工件時(shí)，按下檢測(cè)工件按鈕 SB3，此時(shí)工件被加緊，夾緊后定時(shí)器 T2 定時(shí)，到達(dá)定時(shí)時(shí)間時(shí)，PLC發(fā)出命令，主軸快進(jìn)；
（3）工進(jìn)工序：當(dāng)主軸在快進(jìn)的過程中壓下行程開關(guān)SQ1時(shí)，此時(shí)PLC發(fā)出命令，主軸處于工進(jìn)狀態(tài)；
（4）停留工序：當(dāng)主軸在工進(jìn)的過程中壓下行程開關(guān)SQ2時(shí)，此時(shí)PLC發(fā)出命令，主軸處于暫停狀態(tài)；
（5）快退工序：當(dāng)主軸暫停狀態(tài)時(shí)，定時(shí)器 T3開始計(jì)時(shí)，到達(dá)指定時(shí)間后，主軸開始快退，定時(shí)器T4開始計(jì)時(shí)，到達(dá)指定時(shí)間后，主軸停止。
4 、樣機(jī)實(shí)驗(yàn)
自動(dòng)化臺(tái)式鉆床控制系統(tǒng)監(jiān)控建立在工業(yè)組態(tài)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)中我們采用MCGS的TPC1162Hi觸摸屏作為本次試驗(yàn)的監(jiān)控設(shè)備，在MCGS中建立搬運(yùn)機(jī)械手變量和PLC變量得到控制界面見圖8，并且將兩者變量相互建立關(guān)系，將整個(gè)控制系統(tǒng)線路連接之后，設(shè)置電機(jī)驅(qū)動(dòng)器不同的 PID 參數(shù)（表 4），通過操作上位機(jī)，最終測(cè)試出在不同PID參數(shù)下機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)平穩(wěn)程度，以及達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)所需要的時(shí)間（見表 4）。而且利用 Matlab仿真實(shí)際樣機(jī)實(shí)驗(yàn)得出電機(jī)趨于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的最優(yōu)參數(shù)，且Matlab仿真[10]PID控制階躍響時(shí)間與實(shí)際樣機(jī)測(cè)試基本吻合，證明我們本次設(shè)計(jì)結(jié)果的合理性。
5 、結(jié)論
本文以傳統(tǒng)鉆床為基礎(chǔ)，對(duì)鉆床控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和改進(jìn)。介紹了液壓傳動(dòng)和電控技術(shù)在臺(tái)式鉆床中的應(yīng)用，給出了鉆床結(jié)構(gòu)圖、液壓回路、電機(jī)控制、以及PLC 的 I/O 分配。通過控制電機(jī)且不斷調(diào)節(jié) PID 參數(shù)，實(shí)現(xiàn)控制進(jìn)給速度；最后組態(tài)王軟件建立人機(jī)交互按界面，使得控制更加清晰、簡(jiǎn)單。該鉆床自動(dòng)化改造不僅保留了原鉆床基本結(jié)構(gòu)和工作性能，而且是對(duì)機(jī)械、電子技術(shù)的綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化加工。
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