基于PLC的倒角机自动控制系统设计与研究.pdf

第 1 2期 2 0 1 1年 1 2月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o d ul a r M a c h i ne Too l Au t o m a t i c M a nu f a c t ur i ng Te c hni q ue NO． 1 2 De c ．2 0 1 1 文章 编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 1 1 2 0 0 6 5一o 3 O 基于 P L C的倒角机 自动控制系统设计与研究 吴 焱明， 伍 斌 ， 臧福 海 ， 朱家诚 ， 吴天星 合肥工业大学 机械与汽车工程学院， 合肥2 3 0 0 0 9 摘要 针 对手 工倒 角劳动 强度 高 、 加 工效 率低 的 现状 ， 开发 了一 台 自动 倒 角机 ， 采 用基 于 P L C的控 制 系统， 对倒角工序进行顺序控制， 实现连续循环加工 ， 以提高生产效率。该 系统可对细长棒料 两端同 时倒 角 ， 并且 可 以通过 触摸 屏设 定 工 件 直径 和 切 削量 ， 以 满足 不 同直径 工件 的倒 角要 求。 利 用光 电 开 关 准确感 应 工件 的位 置 ， 通过 相 关 的控 制 程 序 自动补 偿 工件 长度 误 差和 送料 定位 误 差 ， 从 而 实现 快 速 、 高效 与 高精度 的倒 角。 关键 词 倒 角机 ； 控 制 系统 ； P L C； 步进 电机 中图分 类号 T H 1 6 ； T G 6 5 文献标 识 码 A St ud y an d De v e l o pm e nt o f Aut o m a t i c Co n t r o l Sy s t e m f o r Cha m f e r i ng M a c hi ne Ba s e d o n PLC W U Ya n mi n g，W U Bi n，ZANG F u h a i ，ZHU J i a - c h e n g，W U Ti a n x i n g S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d A u t o mo t i v e E n g i n e e r i n g，He f e i Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y，He f e i 2 3 0 0 0 9，C h i n a Abs t r a c tAc c o r d i n g t o t h e c u r r e n t s i t u a t i o n t h a t i n ma n u a l c h a mf e r i n g ma c hi ne s y s t e m l a bo r i n t e n s i t y i s h i g h a n d p r o d u c t i o n e f f i c i e nc y i s l o w ，a s e t o f a ut o ma t i c c h a mf e r i n g ma c h i n e i s r e q u e s t e d t o d e v e l o p t o i mp r o v e t h e p r od u c tio n e ffi c i e nc y．Th e r e f o r e，PLC i s p ut i n t o u s e i n t h e c o n t r o l s y s t e m．The s ys t e m c a n c on t r o l t h e p r o c e s s o f c ha mf e r i n g ma c h i n e i n s e q u e nc e a n d a c hi e v e c o n t i n u o us c y c l e p r o c e s s i n g．Al s o i t c a n c h a mf e r t h e b o t h e n d s o f t h e t h i n a n d l o n g ba r s t o c k i n t h e s a me t i me．An d t h a t t o d i f f e r e n t d i a me t e r a nd c u t t i n g O H t p u t ，t h e v a l u e c a n b e s e t a t a n y mo me nt ，S O i t a pp l i e s t o d i f f e r e nt d i me n s i o n s wo r k p i e c e ． W h e n t h e t hi n a n d l o n g ba r s t o c k i s f e e d，i t e x i t s e r r o r s wh i c h a r e c a u s e d b y d i f f e r e n t l e n g t h a n d d i ffe r e n t f e e d d i r e c t i o n I n t he me c h a n i c a l e q ui p m e n t ，a ph o t o e l e c t r i c s e ns o r i s fix e d n e a r t h e t o o l t o d e t e c t t he wo r k p i e c e a c c u r a t e l y．Ac c o r di ng t o t h e a c c u r a t e p os i t i o n，t he p o s i t i o n e r r o r a n d l e n g t h e rro r c a n b e c o m p e n s a t e d．I t i s p r o v e d t o h a ve t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f c e l e r i t y，e ffi c i e n c y a n d a c c ur a c y． Ke y wo r d sc h a mf e r i n g ma c h i n e；c on t r o l s y s t e m ；PLC ；s t e p p i ng mo t o r 引言 目前 市 场 上 对 细 长 棒 料 两 端 倒 角 ， 大 多数 都 是 通过 工人 手 动操 作 机床 来 实 现 的 ， 送料 、 落 料 和装 夹 等 方 面效率 均不 高 。 为此 ， 受 某 企 业 委托 ， 开 发 了一 台全 自动 的高效 率 高精度 的倒 角机 。由 于 P L C具 有 可靠性 高、 抗干扰能力强、 使用方便 、 编程简单等优 点 ， 在工 业 控 制 领域 内 得 到 广 泛 的 应 用 。 因 此 ， 倒 角机 采 用 P L C为 控 制 系统 ， 实 现送 料 、 装 夹 、 倒 角 和落料的 自动化和倒角的高效率与高精度。 1 工 作 原 理 自动倒角机 由左工作 台、 右工作 台和送料 机构 等组成 ， 如 图 1所 示 。左 、 右 工 作 台都 由 步进 电 机 、 滚 珠丝 杠 副 、 三 相异 步 电机 、 刀 架 、 夹 紧气 缸 、 落 料 装 置 以及 三个 接近 开 关等 组 成 。刀架 安 装 在异 步 电机 的前端， 异步电机直接驱动 刀架旋转 ， 步进电机通过 滚珠 丝杠 副 带 动 刀 架 移 动 ， 从 而 实 现倒 角 。刀 具 的 进给 速度 和 位 移 量 由 P L C程 序 中 的相 关 指 令 来 控 制 。为 了保证 倒 角 时 的 切 削 量 ， 需 要 确 定 刀 具 工 进 时 的起 始 点 。在 刀 具 的前 端 装 有 一个 光 电开 关 ， 当 刀具移 动 到工件 附近 时 ， 光 电开 光感 应 到工 件 ， 同时 将此感应信号传递给 P L C 。这样避免 由于送料和夹 紧定位误差所导致的工件倒角不足或倒角过多的问 题 收稿 日期 2 0 1 1 0 42 8 作者简 介 吴 焱明 1 9 6 8一 ， 男 ， 安徽太 湖人 ， 合肥工业大学机械与汽车工程学 院副教授 ， 工学博士 ， 主要研究智能控制 ， 数字化设计与制造 等 ， Ema i l w u b r t n 1 6 3 ． c o rn。 6 6 组合 机床 与 自动 化加 工技 术 第 1 2期 8 9 1 O l 1 l 2 控制 系 统 以 P L C 为 中心 ， 触 摸屏与 P L C进行双向通信。通过 触摸屏可以设定粗细不同工件的 直径 以及 刀具 前 进 、 后 退 的 速 度 ， 同时刀 具移 动 的位 移量 在触 摸 屏 上显 示 出来 ； P L C通 过 控 制 驱 动 器 ， 使步进 电 机实 现相 应 的 运动 。 当 电机 在 运 行 中 出 现 故 障 时 ， 会 自动产生急停信号 ， 切断动力 电 1 ． 左正极限开关2 ． 左原点开关3 ． 左负极限开关4 ． 左步进电机5 ． 左滚珠丝杠6 ． 左异步电机7 ． 左 源 ， 保 证设 备 的安 全 ， l J 时在 触 摸 刀架 刀盘8 ． 左夹紧 气缸9 ． 工件1 0 ． 右夹紧气缸 1 1 ． 右刀架刀盘1 2 ． 右异步电机 1 3 ． 右滚珠丝 杠 屏上 跳 出一 个 窗 口， 实 时显 示 故 右步进电机 1 右负极限开关 l 6 右原点开 关 1 7 右正极限 开关 l 8 送料机 构 障原 因 ； 当设 备 在 运 行 中遇 到 紧 图 倒角机结构示意图 急情况需要停止 时 ，也 可 用 外 部 该 系统 的 送 料 、 装 夹 和 落 料 均 是 自动 完 成 的 。 的 急停按钮 来切 断 动力 电源 。气 缸活 塞 的运 动 行 程 送料机构采用气缸驱动 ， 气缸送料到达规定位置时 ， 可通过外部传感器来检测 ，即气缸送料 或者夹紧到 气缸上的磁性开关将相应信号传递给 P L C ， 作为 “ 送 位时 ，磁性开关检测到信号 ， P L C根据获得 的信号来 料成功” 信号。每个工作循环传送一根棒料 ， 工件送 驱动电机和气缸做出相应的运动 。 夹紧 ， 保证工件不旋转 。两个夹 紧气缸的侧 面分 别 装有一块斜块作为落料装置 ， 气缸 松开时工件 沿着 斜块落下 ， 完成 自动落料 。 工作台上的接近开关分别为负极 限开关 、 原 点 开关 和正极 限开 关 ， 极 限 开关 用来 限 制 普 通 电 机 的 移 动位 置 ， 以免 电机 超 出安 全位 置 ； 原 点 开关 用来 确 定系统 的 坐标位 置 。 2 控制 系统硬 件设计 控 制 系统 的硬 件 主要 由 P L C 、 触 摸 屏 和 步 进 电 机 、 三相异 步 电机 等 组 成 。 由于 步 进 电 机具 有 结 构 简单、 运行可靠、 控制 方便 、 控制性能好等优 点 。 ， 能将 脉 冲信号 变 换 为相 应 的直 线 位 移 ， 其 位 移 量 与 脉冲数成正比， 移 动速度与脉 冲频率成正 比。所以， 用步进 电机 带动 刀 架移 动 ， 不 仅 能实 现 精确 定 位 ， 还 能调节刀具移动速度。设定 的进给脉冲数、 频率、 方 向经 驱动 控制 电路 到 达 步进 电机 后 ， 转 化 为 刀 架 的 位移量 、 前 进速 度和进 给方 向。 P L C的输入点有刀具 的原点和正、 负极 限位置信 号， 送料气缸和夹紧气缸的到位信号以及光电开关 的 输入 中断等 1 3个输入信号 ； 输 出点有 步进 电机 的脉 冲 和方 向控 制点 ， 继 电器控制 刀具旋转 、 送料和夹 紧动作 以及电源和指示灯等 1 3个输出信号。从 I ／ 0点数、 性 能要求、 可靠性和成本等角度综合考虑 ， 最终选用了欧 姆龙的 C P 1 H ． X 4 0 D。系统的控制原理如图2所示 。 传感器 卜 触摸屏 P L C 急停开关 图 2 系统控制原理图 3控制 系统软件设计 通过对整个 工作流程 以及 P L C指令系统 的分 析 ， 采用模块化结构思想， 将倒角机系统分为几个模 块 手动操作 、 自动运行、 参数设置和故 障显示。不 同模块间的切换 可 由触摸屏 上主界 面的窗 口来 实 现 。功能模 块 如图 3所示 。 厂匡豳 点 图 3倒 角 机 系统 功 能 模 块 图 要对 倒 角机 进 行 完 善 保 护 ， 必 须 考 虑 模 块 间 的 逻 辑互锁 ， 保 证加工 过 程 中无 论 模块 间如何 切 换 ， 操 作是否失误 ， 也不会导致工件及设 备的损 坏。通过 触摸屏上的选择按钮来选择手动操作或者 自动运行 工 作方式 。 I “ 手动操作” 模式供微调使用 ， 分为左手动和 右手动 ， 由按钮对每一操作进行单独控制。如通过 界面上的“ 前进” 或 “ 后退 ” 按钮微调左、 右刀具的位 置 ， 并可随时设定移动时的快动或慢动速度 ， 同时将 左 、 右刀具的移动量显示 出来 ， 还可对送料和夹紧气 缸进行单独操作。 2 “自动运行” 工作模式供 自动工作使用 。按 下该模 式 的“ 启 动 ” 按 钮 时 ， 系统 便 进 入 连 续 循 环工 作状态， 即设 备周而复始地执行动作 ， 直到按下“ 返 回”或者“ 停止 ” 按钮退出为止 。退出该模式后 ， 刀 具和气缸回到初始化状态。 自动运行模式下 的动作 顺序 如表 I所示 。 2 0 1 1年 1 2月 吴焱明， 等基于 P L C的倒角机 自动控制系统设计与研 究 6 7 表 1自动运行模式动作顺序表 时序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 步进 快退 快进 快进 工进 工进 快退 电机 到位 开始 5 1 S 2 结束 S 3 送料 送料 送料 送料 气 缸 开始 成功 退 回 夹紧 夹紧 夹 紧 夹紧 气 缸 开 始 成 功 松 开 进入 “自动 运行 ” 模 式 时 ， 左 、 右 刀 具首 先运 行 到 起点位置， 气缸开始送料 ， 当传感器检测到送料到位 后 ， 左 、 右气缸 分别 夹 紧 ， 由 P L S 2指 令 来启 动 刀 具 前 进 。刀具 前 进 过 程 中 ， 前 方 的 光 电开 关 感 应 到 工 件 存在时立即执行输入 中断， 启动另一段 P L S 2指令 。 在此 段 P L S 2指 令 中 ， 刀 具仍 保 持 原 来 的快 速 前 进 速 度 ， 脉冲数对应刀具快进 和后续 工进 的位移量。当 刀具 位移 达 到快进 量 5 ． 时 ， 通 过 比较 指令 ， P L C开 始 执行 A C C指 令 ， 刀具 改变 速度 ， 减速 工 进 。 。 。在减 速 工进 的同时 ， 送料气缸退 回到初始位置 ， 以准备下一 循环 的送料 。按照设定 的工进 量 ， 工进结束后 刀具 自动 后退 一 段 位 移 量 ， 同 时 夹 紧 气 缸 松 开完 成 自动 落料 ， 此时一个循环结束 ， 后续循环继续进行 。 工件的粗细不同和长短不等使工件在送料和装 夹时产生定位误差 ， 这些都会导致倒角量不 足或者 过多 。针 对 此 问 题 ， 在 刀具 前 方 安 装 光 电开 关 来 检 测工 件 的位 置 ， 通 过 程 序 中的 相 关 计 算 公 式 得 出 合 理 的进 给量 ， 从 而 获 得 准 确 的 工 进 量 。不 同直 径 的 工件 参数 的设 定 可 通 过 触 摸 屏 来 实 现 ， 这 样 保 证 了 程序 的灵 活性 。光 电开关 位置 如 图 4所示 。 刀具 图 4倒 角 机 系 统 光 电开 关 位 置 示 惫 图 为 刀具 中心 与 光 电开 关 之 间 的长 度 ， 可测 出 ； 根据 倒 角 要求 ， 刀 具 夹 角 6 0 。 ； 工 进量 S 和 工 件 直径 D根据实际要求通过触摸屏外部设定。刀具从 起点位置开始前进 ， 当移动到位置 1时 ， 光电开关感 应到工件 ， 此时刀具仍快速前进 |s ． 到位置 2， 此时刀 具刚碰上工件 ， 刀具减速工进 ； 工进结束后 ， 刀具退 回到起点位置 ， 退刀距离为 s 。从图 4看出 9 L． 二 __ t an 则快 进量 S ， 为 Sl L Ll 对于粗细不 同的工件， 只要改变 D的值就可计 算出正确的快进量 s 。在实际工作 中， 存在光电开 关 检测误 差 以及快 速 进 给 到慢 速 工进 速 度切 换 过程 中的位 移误 差 ， 为 了 避 免 实 际 位 移 量 大 于 理 论值 所 造 成 的撞 刀 现象 ， s 取得 比理论 值小 2 mm。 3 “ 参数 设 置” 功 能模块 用来 设定一 些参 数 ， 为 了防止数 据 的错 误改 动 ， 只有 输 入 密码 后 才 能进 入 。 该模 块 可设定 刀 具 夹 角 、 工 进 量 以 及 “自动 运 行 ” 模 式 下 的快 进 和工 进 速 度 。按 下 “ 确 定 ” 操 作 后 ， 设 定 的参数才传给 P L C程序的相关地址中， 否则 P L C程 序 无法 获得 重 新 设 定 的数 据 ， 这 样 可 防 止 程 序 地址 中数据 的混 乱 。 4 在“ 产品选型” 中， 操作者输入相关型号工件 的直径 ， 以获得相应的工作参数。同时， 可选择对工 件 进行 “ 两 端 倒 角 ” 、 “ 左 端 倒 角 ” 或 者 “ 右 端 倒 角 ” ， 以适应 不 同的倒 角要 求 。 5 在 “ 故障 报警 ” 中 ， 当驱动刀 具移 动的 三相异 步 电机 在移 动 的过程 中超 过安 全 位置 ， 碰 到 正 、 负极 限开关时， 报警器发出警报 ， 同时触摸屏上跳 出窗 口 显 示报警 信 息 。 4 结束语 该 系统 通过 P L C程 序模 块化 设 计来 实 现倒 角 机 系统 的 自动 运 行 和手 动 操 作 ， 并 借 助 触 摸 屏 来 设 定 相 关参 数和 显 示 P L C中 的实 时数 据 ， 提 高 了系 统 的 可 操作 性 。 系统 中使 用 接 近 开关 作 为 限位 开 关 ， 保 证 了安 全可 靠性 。采 用 光 电开 关 来检 测 工件 的起 始 位 置 ， 补 偿工 件长 度 误差 和 送料 定 位误 差 ， 根 据 反馈 的信号控制刀具前进 的位移量 ， 保证了准确的倒 角 量 。 目前 ， 该 自动 倒 角机 已在 相关 企业 正常运 行 。 [ 参考 文献 ] [ 1 ]吕刚．P L C技术在变频起重 机上 的应用 [ J ] ．船舶机 电 ， 2 0 1 0 3 2 12 2 ． [ 2 ]王立红 ， 金辉 ， 赵越岭 ．P L C控制 步进 电机在机 床改造 中 的作用 [ J ] ．辽宁工业大学学报 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