数控多排钻PLC控制系统应用研究.pdf

1 4 2 机械 设 计 与制 造 Ma c h i ne r y De s i g nM a nu f a c t u r e 第 5期 2 0 1 4年 5月 数控 多排钻 P L C控制系统应用研 究 毕庆， 袁清珂 广东工业大学 机电工程学院， 广东 广州5 1 0 0 0 6 摘要 为了追赶 国外的先进生产技术 ， 提升国 内数控 多排钻联机钻孔质量 ， 在研 究了数控 多排钻机床设备组成及加工 工艺流程的基础上，以典型的数控六排钻机床控制系统为研究对象，设计了应用于数控多排钻机床的P L C电气控制系 统 ， 该 系统 以西门子 C P U 2 2 6作为主控 ， 并运用 S 7 2 0 0仿真软件验证 了所设计的 P L C电气控制硬件电路和 P L C软件程 序的科学合理性。装机试验证明， 研究的P L C控制系统能够满足数控多排钻钻孔孔住质量控制要求， 具有良好的推广应 用价值 。 关键词 多排钻； 电气控制系统； P L C 中图分类号 T HI 6 ； T P 2 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 4 0 5 0 1 4 2 0 2 Ap p l i e d Re s e a r c h o n PL C c o n t r o l Sy s t e m f o r Mu t i -Ro w Dr i l l B I Q i n g ， YU A N Q i n g - k e S c h o o l o f Me c h a n i c a l E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g ，G u a n g d o n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，G u a n g d o n g G u a n g z h o u 5 1 0 0 0 6 ， C h i n a A b s t r a c t I n o r d e r t o c a t c h u p w i t h f o r e i g n a d v a n c e d p r o d u c t i o n t e c h n o l o g y ， and i m p r o v e t h e d o m e s t i c l i n e o fC N C m u l t i - r o w d r i l l h o l e q u a l i t y ， b a s e d o n t h e s t u d y o fC N C m u l t i - r o w d r i l l i n g m a c h i n e e q u ip me n t c o m p o n e n t s a n d p r o c e s s fl o w， i t t o o k o ty p i c a l C N C s ／ x r o w d r 最 l i n g ma c h i n e c o n t r o l s y s t e m s f o r t h e s t u d y ， d e s i gne d a P L C e l e c t ri c a l c o n t r o l s y s t e ms w h o W as a p p l i e d t o mu l t i - r o w d r i l l i n g mach i n e s t o S i e me n s P L C C P U 2 2 6 as a m ast e r ．and t h e e of s i mu l ati o n s o ftw a r e s 7 - 2 0 0 d e s ig n W a S v e ri f d b y t h e P L C e l e c t r i c a l c o n t r o l h a r d w are and P L C S o f t w are p r o g r a m s of s c i e n t if w r at i o n al i t y ． I n s t a l l e d f o r t e s t i n g p r o v e d t h a t t h e s t u d y o f P L C c o n t r o l s y s t e m c a r l m e e t t h e C N C mu l t i r o 协 d i a mo n d d r i l l h o le s q u a l i t y c o n t r o l r e q u i r e m e n t s ， t h e r e f o r e i t W as v alu a b l e i n p r o m o t i o n and app l i c a t i o n ． Ke y W o r d s Mu t i - Ro w Dr i l l ； El e c t r i c a l Co n t r o l S y s t e m ； PLC 1引言 多排钻是板材加工过程中必不可少的设备，家具生产商为 提高生产效率， 同时提高板材成品的合格率， 大多采购 P L C控制 的多排钻， 以取代原有的继电器控制设备。 现今， 国外以某集团公 司成产的3排钻、 6 排钻、 8排钻为最先进， 采用 P L C控制能达到 一 次定基准后完成所有钻孔要求，实现多孔位同一基准的目的。 为了追赶国外先进生产技术， 有必要开发出一种实现多排钻 自动 进料、 定位、 钻孔、 自动出料的P L C电气控制系统。 2数控多排钻组成及工艺流程 多排钻的钻座数量一般由 3 排到 1 2 排， 钻座形式整体分为 下部垂直钻座和水平钻座， 其中垂直钻座每排由两段独立钻座组 成， 水平钻座为单排Ⅲ 。 因为钻头数量多， 加工孔位繁多， 所以要求 在钻孔时一次定基准后完成板式零部件的钻孔， 以使得设备钻孔 的孔位精度高， 生产效率高。 数控多排钻的加工工艺流程主要分为进料一气缸夹紧一底 部钻孔 0 边钻孔一气缸松开一出料。 板式零部件首先被送到排 钻传送带上， 经过传送带 1 传输后， 送入排钻钻孔位 ， 板式零部件 两侧端被限位， 顶部气缸动作真空压紧板料后， 下部垂直钻头动 作， 钻底部孔， 同时水平侧排钻头动作， 钻左右侧边孑 L ， 钻后顶部 气缸松开板料， 经过传送带 2送出板料。 3控制系统设计 以典型的六排钻为例来研究排钻的控制系统，排钻控制部 分主要包括进出料功能的控制、 定位夹紧功能的控制、 钻孔功能 的控制。 1 进出料控制 机床进出料是通过电机拖动传送带实现 的， 电机的正反转由接触器 K M1 、 K M 2控制 ， 电机的正反转决定 传送带的输送方向。 同时设有进出料限位开关， 控制电机的停止。 2 定位夹紧功能控制 板式零部件的定位通过设计行程开 关来实现， 夹紧功能通过控制电磁阀驱动气缸来实现真空夹紧闭 。 3 钻孑 L 功能的实现 机床的排钻钻轴， 通过不同的电机驱 来稿 日期 2 0 1 3 1 1 - 0 4 基金项目 广东省战略陛新兴产业专项 2 0 1 2 A O 8 o 3 O 3 o 0 2 ； 广东省数控一代专项 2 0 1 2 B 0 1 1 3 0 0 0 0 9 、 2 0 1 2 B 0 1 1 3 0 0 0 4 9 ； 广东省教育部产学研专项 2 0 1 2 B 0 9 1 0 0 0 0 3 3 作者简介 毕庆， 1 9 8 9 一 ， 男， 湖北黄冈人， 硕士研究生， 主要研究方向 机电系统控制、 优化设计； 袁清珂， 1 9 6 3 一 ， 男， 山东青岛人， 教授， 主要研究方向 知识工程与智能设计、 机电控制等方面的科研与教学工作 1 4 6 机 械 设 计 与 制 造 No ． 5 Ma v ． 2 01 4 量 Z 2 1 ． 5 1 0 ． 5 1 0 4 F I O O N 专一 单侧弧形薄板 一 0 一 双侧弧形薄板 M 1 N m xl 0 ＼ i I 争 一 单 侧 弧 形 薄 板I _ e 一 双 侧 弧 形 薄 板 ． 又 、 l 、 t mxt 0 b 图4两种变截面四杆机构对比 F i g ．4 Co mp a r i n g o f Two Va r i a b l e Cr o s s F o u r B a r Me c h a ni s m 机构的结构形式与尺寸参数不同， 变形刚度也会不同， 两种 变截面四杆机构， 在 b 1 0 mm， t l m m， H 4 0 m m时， 分别受 1 0 0 N 的 方向力、 1 0 0 N的Y方向力、 绕z 轴 1 N i n转矩时机构的位移 变形与尺寸参数 尺的对应关系， 如图4 a 所示。 两种变截面四杆 机构， 在 b l O m m， R 4 O m m， H -- - 4 0 m m时， 分别受 1 0 0 N的 方向 力、 l ooN的Y方向力、 绕 轴 1 N I n 转矩时机构的位移变形与尺 寸参数 t 的对应关系， 如图4 b 所示。图4表明单侧变截面四杆 机构的变形随尺寸的变化较大， 因此此种机构在保证一般准确性 的条件下经过尺寸优化可以实现大的位移变形； 双侧变截面四杆 机构则受结构尺寸参数影响不大， 通过尺寸优化在满足变形位移 时可以确保比较高的定位精度。 6结论 利用变截面杆件组合得到变截面四杆机构，分析了机构参 数对刚度的影响。 通过比较两种变截面杆件刚度得出各自应用的 范围， 单侧变截面结构刚度随尺寸变化较大， 适合用于精度要求 不高的大变形领域， 双侧变截面机构刚度相对单侧变截面机构随 尺寸变化较小 ， 适用精度要求高的小变形领域。 参考文献 [ 1 ] 李守忠， 于靖军， 宗光华． 基于旋量理论的并联柔性机构构型综合与主 自由度分析[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 1 0 ， 4 6 1 3 5 4 - 6 0 ． L i S h o u z h o n g ， Y u J i n g- -j u n ， Z o n g G u a n g- h u a ． T y p e s y n t h e s i s a n d p rin c i pa l f r e e d o m a n a l y s i s o f p a r a l l e l fle x u r e me c h an i s ms b a s e d o n s c r e w t h e o r y [ J ] J o u r n a l o f Me c h a n i c alE n g i n e e r i n g ， 2 0 1 0 ， 4 6 1 3 5 4 - 6 0 ． [ 2 j Y e o n J e S u n g ， Yi m J o n g g u k ， P a r k J o n g Hy e o n ．R o b u s t c o n t r o l u s i n g r e c u r s i v e d e s i g n m e t h o d f o r fl e x i b l e j o i n t r o b o t m a n i p u l a t o r s [ J ] ．J o u r n a l o f Me c h a n i c alS c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， 2 0 1 1 ， 2 5 1 2 3 2 0 5 - 3 2 1 3 ． 1 3 J Z u b i r Mo h d N a s h r u l Mo h d ， S h i r i n a z d e h B ij a n ， T i a n Yanl i n g ． D e v e l o p m e n t o f a n o v e l fl e x u r e - b a s e d mi e r o g r i p p e r f o r h i g h p r e c i s i o n mi c r o 叫 b j e c t ma n i p u l a t i o n l J J ．S e n s o r s a n d Ac t u a t o r s ， A P h y s i c a l ， 2 0 0 9 ， 1 5 o 2 2 5 7 2 6 6 ． [ 4 ] 刘鸿文． 材料力学[ M] ． 北京 高等教育出版社， 2 0 0 5 ． L i u H o n g - w e n ． Me c h a n i c s o f Ma t e ri a l s[ Mj ． B e i j i n g H i g h e r E d u c a t i o n P r e s s ， 2 0 0 5 ． [ 5 ] 李仁锋， 程永生， 文贵印． 弹性梁刚度矩阵算法及应用[ J ] ．传感器技术， 2 o o 3 ， 2 2 8 6 2 6 4 ． L i Re n - f e n g ， C h e n g Y o n g - -s h e n g ， We 刀G u i - y i n ． R i g i d i t y ma t r i x a l g o ri t h m o f e l a s t i c b e a mand i t s a p p l i c a t i o n [ J ] ．J o u r n a l o f T r a n s d u c e r T e c h n o l o gy， 2 0 0 3 ， 2 2 8 6 2 6 4 ． [ 6 ] 石志新， 罗玉峰， 陈红亮．含有柔性铰链并联机器人的刚度分析及刚度 优化配置[ J ] ． 机械设计与制造， 2 0 0 5 7 9 2 9 3 ． S h i Z h i x i n ， L u o Y u - f e n g ，C h e n H o n g - l i a n g ． S t i f f n e s s a n a l y s i s a n d o p t i m a l d i s t ri b u t i o n o n p a r a l l e l ma n i p u l a t o r w i t h fl e x i b l e j o i n t s l J j ． Ma c h i n e r y D e s i g n＆Ma n u f a c t u r e ， 2 0 0 5 7 9 2 9 3 ． [ 7 ] 富金良， 张彦斐， 胡光学． 基于单元刚度矩阵法的二维微动平台刚度分 析[ J ] ．机械设计与研究， 2 0 1 2 ， 2 8 4 4 2 - 4 5 ． G o n g J i n - l i a n g ， Z h a n g Y a n - f e i ， Hu G u a n g - x u e ． R i g i d i t y a n a l y s i s o f a t w o d i me n s i o n a l mi c r o- p o s i t i o n i n g p l a t f o r m b a s e d o n u n i t s t i f f n e s s ma t r i x m e t h o d [ J ] ．M a c h i n e D e s i g n a n d R e s e arc h ， 2 0 1 2 ， 2 8 4 4 2 - - 4 5 ． [ 8 ] 王雯静， 余跃庆． 含大变形柔顺杆的柔顺机构应变分析[ J 1 ．机械设计与 研究 ， 2 0 0 9， 2 5 3 3 3 3 6 ． Wa n g We n- j i n g ， Y u Yu e q i n g ．R e s e a r c h o n s t r a i n o f c o mp l i a n t m e c h a n i s m s w i t h l a r g e d e fl e c t i o n c o m p l i ant l i n k s [ J ] ． M a c h i n e D e s i g n a n d R e s e a r c h ， 2 0 0 9 ， 2 5 3 3 3 3 6 ． 上接第 1 4 3页 目前该系统已应用到六排钻及其它轴排钻机床上，装机试、 验实际运行表明，该控制系统能满足排钻钻孔孔位质量控制要 [ 5 J 求 ， 可靠性高。 参考文献 [ 1 ] 宋魁彦 ， 王逢瑚． 板式家具零部件的钻孔工艺与排钻性能分析[ J ] ． 家 具， 2 0 0 2 2 6 4 _ 6 7 ． S o n g K u i y a n ， Wa n g F ang- h u ． F u rni t u r e p a r t s p l a t o o n d ri l l d ri l l i n g p r o c e s s a n d p e r f o r m a n c e a n a l y s i s [ J ] ． F u rn i t u r e ， 2 o o 2 2 6 4 6 7 ． l 2 ] Z h e n g Mi n ， P e n g Y u ． T h e d e s i g n o f a i r c o mp r e s s o r c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n P L C a n d I N S P E C 【 J ] ． J o u r n a l o f Xi h u a U n i v e r s i t y N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n ， 2 0 1 2 - 0 2 ． [ 3 ] 刘丽华 ， 李笑．基于 P L C与触摸屏的玻璃清洗机控制系统设计[ J ] _ 制 造业自动化， 2 0 0 8 ， 3 0 6 5 8 6 1 ． L i u E l - h a s ， L i X i a o ． D e s i g n o f c o n t rol s y s t e m o f g l a s s - c l e ani n g ma c h i n e b a s e d o n P L C and t o u c h s c r e e n [ J ] ． M a n u f a c t u ri n g A u t o m a t i o n ， 2 0 0 8 ， 3 0 6 5 8 6 1 [ 4 ] 刘军， 冯艳君， 李中松． 汽车前减振器支柱总成装配机 P L C 控制系统 [ J ] ． 制造业 自 动化， 2 0 1 3 ， 3 5 3 1 5 1 7 ． L i u J u n ， F e n g Y an- j u n ， L i Z h o n g - s o n g ． A n a u t o n i o b i l e fr o n t s h o c k s t r u t s ass e m b l y m a c h i n e b a s e d o n P L C c o n t rol [ J ． Ma n u f a c t u r i n g A u t o m a t i o n ， 2 0 1 3 ， 3 5 3 1 5 1 7 ． S h e n Ka i - mi n g ，W an g Yu- f e n g，C h a n g Xi n g ．PL C c o n t r o l f o r n l o t o r t e s t i n g s y s t e m [ J ] ． L i g h t I n d u s t r y M a c h i n e r y ， 2 0 1 0 ． [ 6 ] 张小云， 陈关龙， 张延松．伺服焊枪点焊 P L C控制系统设计E J ] ． 焊接学 报， 2 0 0 6 ， 2 7 7 1 -- 4 ． Z h a n g X i a o y u n ， C h e n G u a n - l o n g ， Z h a n g Ya n- s o n g ． D e s i gn o f P L C c o n t r o l s y s t e m f o r s e r v o g u n s p o t w e l d i n g s y s t e m l J J ．T r a n s a c t i o n s o f t h e C h i n a w e l d i n g i n s t i t u t i o n ， 2 0 0 6 ， 2 7 7 1 - - 4 [ 7 ] 陈建平， 施晓宽， 董伟． 基于 Wi n C C V 6 ．2 及 s 7 2 0 0 P L C的冷却塔风机 监控系统研究[ J ] ． 机械设计与制造， 2 0 1 2 6 8 2 8 4 ． C h e nJ i a n - p i n g ， S h i Xi a o - k u a n ， D o n g We i ． R e s e arc h o f c o o l i n gt o w e r f a n m o n i t o r i n g s y s t e m b a s e d o n Wi n C C V 6 ．2 a n d s 7 2 0 0 P L C [ J j ． M a c h i n e r y D e s i gn Ma n u f a c t u r e ． 2 0 1 2 6 8 2 8 4 ． [ 8 ] 刘善增．P L C 控制系统的可靠性设计[ J ] _工业控制计算机， 2 0 0 4 ， 1 7 7 3 7 3 9 ． L i u S h a n - z e n g R e l i a b i l i t y d e s i g n o f P L C c o n t r o l s y s t e m[ J j ．I n d u s t r i a l c o n t r o l c o mp u t e r ， 2 0 0 4， 1 7 7 3 7 - 3 9 ． [ 9 ] 廖常初．P L C编程及应用[ M] 第 3 版，北京机械工业出版社， 2 0 0 8 ． L i a o C h a n g c h u ．P L C P r o g r a m m i n g a n d A p p l i c a t i o n s [ M] ．T h i r d E d i t i o n ． B e ij i n g Ma c h i n e r yI n d u s t ryP r e s s ， 2 0 0 8 ．