基於PLC的台式鑽床的自動化控製係統研究
2019-3-4 來源：陝（shǎn）西工業職業技術學院 作者：司昌練，羅 梅
摘 要：為（wéi）滿足機床加工需求和提高加工效率，將傳統台式鑽床加工方式進行改造，設計了一種基於 PLC 自動化控製的鑽床加工係統。以PLC作（zuò）為控製器，換向電磁閥、伺服電機、液壓缸為驅動設備的控製方法，重點講解了（le）液壓回路、控製係統的硬件組（zǔ）成、電控原理以及PID參數對控製電機影響。最後，成功連接整個控製係統回（huí）路，並進行鑽床調（diào）試和實驗。實驗數據表明：該鑽床自動化（huà）加工控製係統設計合理，能夠達到實際加工要求。
關鍵詞：台式鑽床；控製係統（tǒng）；液壓回路 PLC
引言
隨著經濟的（de）不斷發展、智能製造技術不斷完善，對工件加工精度提高了（le）要求，特別是機床和鑽床加工。因此，自動化加（jiā）工係統進一（yī）步（bù）提高和改善，對工件加工具有（yǒu）重要的意義。
目前，在傳統製造行業中，傳統鑽床加工存在（zài）了很（hěn）多不足之處急待解決：第一，傳統鑽床加工過程中自動化不足，麵對（duì）大批（pī）量產品需要加工時，加工速度很低（dī）；第二，麵（miàn）對極其惡（è）劣的加工環境下，工人加工效率低；第三，自動化程度低，直接影響到零件加工精度低（dī）下，增加了生產成本等[1]。因此，對自動化加工係統的研究是我們當前主要（yào）任務，國內外也有很多專家取得了突破。例如：夏長富[2]研究的西門（mén）子 S7-200 PLC 的氣動控製搖臂鑽床，闡述了其工作原理，設計出電氣原理圖；鄧昌奇[3]對數控鑽床的自動化控製係（xì）統進行了設計與應用，對鑽床裝置結構和控製係統進行了優化，實驗數據也能很好地驗證其檢測（cè）效果；許家忠、王（wáng）東野[4]等研究（jiū）了一種基於（yú）嵌入式控製（zhì）器的數控鑽床控製係統，采（cǎi）用了VC軟件對控製係統的上位機界麵進行了編寫，並且采取了（le）一種（zhǒng）新的算法SA對加工路徑進行了（le）優化設（shè）計；國外也有相（xiàng）關研究（jiū），日本鑽床（chuáng）研究院[5]設計了一款主軸（zhóu）自動（dòng）化控製係統，實現了多軸控製、主軸進給速度控製，提高了主軸轉速和進給速（sù）度。
本文設計（jì）的自動化台式（shì）鑽床加工控製係（xì）統主（zhǔ）要是建立在傳統鑽床加工基礎（chǔ）之上，進行了一些改進。電機與主軸（zhóu）之（zhī）間是通過皮（pí）帶進行（háng）傳動，電機轉動帶動主軸旋轉；而鑽床 Z 向垂（chuí）直進給運動主要是通過液壓缸進行傳動。控製係統的改進（jìn）創新（xīn）點在於：①係（xì）統控製電機采（cǎi）用伺服（fú）電（diàn）機，可以精度控製進給位置（zhì）和速度；②控製（zhì）過程中主要采（cǎi）用PID算法進行閉環（huán）控製。
1 、台式鑽床平台的搭（dā）建及（jí）係統控製要求
1.1 鑽床結構組成
如圖1所（suǒ）示，是設（shè）計的一款台式鑽床模型圖。其主（zhǔ）要（yào）組成結構有：活塞杆、液壓缸筒、皮帶輪、伺服電機等等。電機與主軸之間是通（tōng）過皮帶進行傳動，電機轉（zhuǎn）動帶動主軸旋轉；而鑽床 Z 向垂直進給運動主要是通過液壓缸進行傳動。
1.2 係統控製要求
將待加工的工件放（fàng）到台式鑽床工（gōng）作台上，調整X、Y（即前後、左（zuǒ）右）方向的方向輪，待工件位（wèi）於鑽頭（tóu）垂直正下（xià）方時，啟動電機開關，使得（dé）主軸開始轉動（dòng），然後按下液壓泵電機開關，啟動液壓泵電機，最後（hòu）按下進給運動開關，使（shǐ）得鑽床開始對工件進（jìn）行加工處理（lǐ）。台式鑽床加工工（gōng）件具體工步（bù）順序要求如下：加工工步要求：
（1）工（gōng）作台X、Y方向（xiàng）水平移動情況：X方向移動是靠導滾珠（zhū）絲杠完成的，Y方向移動也是靠滾（gǔn）珠絲杠（gàng）完成（chéng）的，兩者都是由手動操作方向輪來精確調節工件的具體位置。
（2）變（biàn）頻調速[5-6]：控製過程中采用變頻器進行調（diào）速，提供準確的（de）速度控製，便於控製鑽（zuàn）床快進、工進、快退。
（3）工件整（zhěng）個加工（gōng）過程（chéng）可以分兩種方式來完成：
①自動循環加工：按下啟動按鈕，鑽床按照事先設定的控製程序連續完成對工件加工（gōng），直到按下停止（zhǐ）按鈕，否則加工工作一直（zhí）進行；
②手動操作：在設計過程中，鑽床（chuáng）啟動、停（tíng）止、主軸快進、工進、快退等 5 個動作步設置（zhì） 5個按鈕分（fèn）別控（kòng）製鑽床每一步工序。
（4）當按下鑽床啟動（dòng）按鈕後，鑽床主軸快進、工進、快退等工序過程必須設置行程開關，且每個動作相互之（zhī）間必須有互鎖作用。
（5）在（zài）加工過程中，控製活塞缸運動的液壓缸密封性良好。
2 、液壓（yā）回路設計
2.1 液壓回路基路本組成（chéng）
液壓回路基本組成部（bù）分包括五大部分：液壓裝置、介質、執行（háng）元件、控製元件、輔助部分[6]。本文設計的台式鑽床活塞杆機構由液壓缸筒控製，其係統控製原理圖如（rú）圖2所示。
鑽床係統控製原理圖分為兩部分：第一部分（fèn）（圖 1所示）伺服（fú）電機4、控製皮帶輪3，從而帶動主軸轉動；第（dì）二部分（圖2所示），當工件到（dào）達指定加工位置時，三位四通電磁換（huàn）向閥1左側1Y得電，液壓油快速進入，實現主軸快進工序；快進結束後，三位四通電（diàn）磁換向（xiàng）閥1Y、二位二（èr）通電磁（cí）換向閥3Y、以及兩位三通電（diàn）磁換向閥（fá）4Y同時得電，此時（shí）主軸進入工進；當加（jiā）工（gōng）完成後，三位四通電磁換向閥（fá） 2Y 得電，二位二通電磁換向閥 3Y、以及兩位三通（tōng）電（diàn）磁換向閥 4Y 失電，此時主軸進入快退狀態。整（zhěng）個加工過程液壓控製回路電磁鐵動作順序如表1所示。
2.2 液壓元件選型‘
本文設（shè）計台式鑽床（chuáng）控製係統中（zhōng）主要相關元器件型（xíng）號如（rú）表2所（suǒ）示。
2.3 液壓缸內部直徑計算
根據（jù）實際加工過程中負載大小（xiǎo）p1=4MPa，在（zài）主軸進行工進（jìn）過程中，為了防止在工進結束後（hòu）繼續前進，特此在回油路中增加背壓閥，且壓力值 p1=0.9MPa，活塞杆（gǎn）直徑d
=100mm。根據（jù）公（gōng）式可得液壓缸直徑為：
3 、台式鑽床電控係統設計
3.1 係統硬件組成（chéng）
基於PLC的台式（shì）鑽床控製係統（tǒng）的基本組（zǔ）成結構包括（kuò）主控器 PLC以及外部輸入輸出設備。設計過程中主控製器采用三菱PLC，它包括電源、I/O、存儲器以及通訊端口；輸入設備包括傳感器、控製按鈕、行程開關（guān）；輸出設備（bèi）主要包括換向電（diàn）磁（cí）閥、電動機、繼電器以及負載（例如報警燈，鳴笛等[8]）。控製（zhì）係統基（jī）本組成結構如圖3。
3.2 電機控製原（yuán）理
如（rú）圖 4 所示，是（shì）控製鑽床主軸電機 M1H 和控製液壓泵電機 M2 原理圖。其中 QS1 和 QS2 表示（shì）控（kòng）製電路中的斷路開關；FU表示熔（róng）斷器；接觸器KM1、KM2為接觸器開關，主要受 PLC 中 KM1、KM2 線圈（quān）控製，當線圈得電時，接觸器開關閉合（hé），相反接觸器開關斷開；熱繼電器FR1、FR2主要（yào）是起到保護（hù）電機的作用。
3.3 伺服電機
PID控製（zhì）在自動化加工台式（shì）鑽（zuàn）床控製係統中，主軸的轉速受伺（sì）服電機 M1 控製，加工過程中，主軸（zhóu）轉速的穩定性至關重要，直接影響到工件加工精（jīng）度。因此電機伺服（fú）控製對主軸的轉速具有重要的意義。如圖5所示，為電機的物理模型。
根據牛頓第二定律及基爾霍夫定律[8]，對圖5 示意列出方程組：
3.4 係統PLC編程（chéng）
台式鑽床自動化加（jiā）工（gōng）控製係統主要有兩種（zhǒng）控製方式：手動開關控製和觸摸屏控製。主控器三菱（líng） PLC 上（shàng）的 I/O 口作為（wéi）輸入、輸出，控製著整個（gè）鑽床動作。
①在手動控製情況下，通過（guò）開關來控製鑽床啟動和停止，方便手動調試和檢（jiǎn）修；
②在觸摸屏控製方式下，有（yǒu）單（dān）周期和自（zì）動循環選擇，通過點擊觸摸屏軟（ruǎn）開關向觸摸屏輔助繼（jì）電器發出命令，從而控製輸出線（xiàn）圈通斷；其中（zhōng） X0急停命令，X1 為啟動命令，X2
、X3、X4、X5 為相應（yīng）的（de）檢測信（xìn）號。經（jīng）上述分析，列出（chū）控製係統plc的I/O分配如表（biǎo）3所示。
其中，開SB1控製鑽床急停，SB2控（kòng）製鑽床啟動，SQ1、SQ2、SQ3別表示主軸快進、工進、快退等限位開關，具體如圖（tú）6所示。
3.5 係統控（kòng）製流程分析
如圖 7 所示，鑽床自動化加工控製功能（néng）流程（chéng）圖，包括了主軸電機啟動、液壓泵點擊啟動、快速進給運（yùn）動、工進運動（dòng）、主軸停留、主軸快退、主軸停止等[5]。具體每一步工（gōng）序分析如下：
（1）電機啟動：當初是脈衝 M8002 作用（yòng）時（shí），係（xì）統處原始狀態，當給PLC命令時，KM1、KM2線圈得電，此時定時器 T1 定時，時間到（dào）時接觸器開關 KM1、KM2 閉合，主（zhǔ）軸電機和液壓泵電機主控線路接通，電（diàn）機瞬間啟動；
（2）快進工序：當檢測到工件時，按（àn）下檢測工件按鈕 SB3，此時工件被加緊，夾緊後定時器 T2 定（dìng）時，到達定時時間時，PLC發出命令，主軸快（kuài）進；
（3）工進（jìn）工（gōng）序：當（dāng）主軸在（zài）快進的過程中壓下行程開關SQ1時，此時PLC發（fā）出（chū）命令，主軸處於工進狀態；
（4）停留工序：當主軸在工進的（de）過程（chéng）中壓下行程開關SQ2時，此時PLC發出命令，主軸（zhóu）處（chù）於暫（zàn）停狀態；
（5）快退工序：當主（zhǔ）軸（zhóu）暫停狀態時，定時器 T3開始計時，到達指定（dìng）時間後，主軸開始快退，定（dìng）時器T4開始計時，到達指定時間後，主軸停止（zhǐ）。
4 、樣機實（shí）驗
自動化台式鑽床（chuáng）控製係統（tǒng）監控（kòng）建立在工業組（zǔ）態基礎上，設計中我們采用MCGS的TPC1162Hi觸摸屏作為本次（cì）試驗的監控設備，在（zài）MCGS中建立搬運機（jī）械手變量和PLC變量得到（dào）控製界麵見圖（tú）8，並且將兩者變量相互建立關係，將整個控製（zhì）係統（tǒng）線路連接之（zhī）後，設置電（diàn）機驅動器不同的 PID 參（cān）數（表（biǎo） 4），通過操作（zuò）上（shàng）位機，最終測試出在（zài）不同（tóng）PID參數下機械運行狀態平穩程度，以（yǐ）及達到（dào）平穩（wěn）狀態所需要的時間（見表 4）。而且利用 Matlab仿（fǎng）真實際樣機實驗得出電機（jī）趨於穩定運行狀態的最優參數，且Matlab仿（fǎng）真（zhēn）[10]PID控製階躍響時間與實際樣機（jī）測試基本吻合，證明我們本次設計結果的合理性。
5 、結論
本（běn）文以傳統鑽床為基礎，對鑽床控製係統進行設計和改進。介紹了液壓傳動和（hé）電控技術在台式鑽（zuàn）床中的應（yīng）用，給出了鑽床結構圖、液壓回路、電機控製、以及PLC 的 I/O 分配（pèi）。通過（guò）控製電（diàn）機且不斷調節 PID 參數，實現控製（zhì）進給速度；最後組態（tài）王軟件建（jiàn）立人機交互按界麵，使得（dé）控製更加（jiā）清晰、簡單。該鑽（zuàn）床自動化改造不僅保留（liú）了原鑽床基本結（jié）構和工作性能，而且是對機械（xiè）、電子技術的綜（zōng）合應用，實現了自動化加工。
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