基于PLC的数控等分转台电控系统设计.pdf

务l 訇 化 基于P L C 的数控等分转台电控系统设计 Desi gn o f t h e el ect r i c cont r ol s ys t em of CNC deci l e t ur nt abl e s ys t em b as ed on PLC 舒启林，张佳琦，王国勋 SHU Qi ． I i n，ZHANG J i a ． q i ，V v ANG GU O - x u n 沈阳理工大学，沈阳 1 1 0 1 5 9 摘要为了实现复杂箱体零件的一次装夹、五面加工， 研制了复合式镗铣加工中心。在零件加工过程 中，为实现数控等分转台分度转动，利用三菱F X3 U 系 I．J P L C 可编程逻辑控制器，完成了转台 电控系统的设计方案，使转台可以按照加工要求实现四个工位的转位，在数控系统下完成规 定动作。实现了复合镗铣加工中心对复杂箱体零件的高效率、高精度加工。 关键词复合式镗铣加工中心；等分转台；复杂箱体；P L C 中图分类号T H 1 6 ；T G6 5 文献标识码 B 文章编号1 0 0 9 - 0 1 3 4 2 0 1 4 1 0 下 - 0 0 2 8 -0 4 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． 1 s s n ． 1 0 0 9 - 0 1 3 4 ． 2 0 1 4 ． 1 O 下 ． 0 7 0 引言 数 控机床 是关乎国民经济建设 和国防工业发 展的基础制造设备 。随着世界经济的发展 和技 术 的进步 ，高档数控机床已成为世界各国装 备制造 业的主要工具 ，是高精度 、大批量、多品种机械 生产的关键技术装备 ，是国防安全的战略 物资， 是汽车和航 空航天等工业发展的重要支撑 ，是降 低产品制造成本 、保证产品质量、提 高产 品生产 率和市场竞争力 的重要手段 ，其性 能、品质和数 量 已成为衡量 国家工业化水平和综合国力的重要 标 志。近 几年进 口高档数控机床消耗大量外 汇储 备，同时制造技术长期受制于人 ，发展用于箱体 零件加工的高档的精密加工中心是非常必要的。 复合式镗铣加工中心机 床是发达 国家对我国 进行技术封 锁的关键设备之一 ，为冲破发达国家 技 术封 锁、提 高我 国用于武器装备制造领域高 档 数控 机床设计 、制造能力 ，开展精密复合式镗铣 加工 中心的研制及关键技术攻关 ，已成为我 国武 器装备制造 行业亟待解决的重大课题之一。我们 自行研 制的复合式镗铣加工 中心机床的具体 结构 如 图1 所示 。 数控转台是复合式镗铣加 工中心的主要功能 部件，其性能优劣直接影响整机的性能 。本 文完 成 了工作台面为 1 4 0 0 1 4 0 0 的数 控转 台电控系统 图1 复合式镗铣加工中心机床总体结构图 设计 。利用P L C 控制，用液压站进行驱动 ，使转台 完成规定动作 的同时保证精度 。数控转台机 械结 构如图2 所示 。 1 ．底座 2 ． 刹紧螺栓 ；3 ． 转动齿盘；4 ． 固定齿盘5 ． 齿盘抬起油腔 6 ．齿盘刹 紧油腔 ；7 ．双联齿盘 ；8 ． 离合器 ；9 ． 节流阀；1 0 ．齿 条；1 1 ． 转台刹紧油腔 图2 数控 转台机 械结构 图 收稿日期2 0 1 4 - 0 6 -1 3 基金项目国家8 6 3 计划项目 2 0 1 2 A A 0 4 1 3 0 3 作者简介舒启林 1 9 6 9一，男，I i l 省彭州人，教授，博士，主要从事先进制造技术方向的研究。 【 2 8 】 第3 6 卷第1 O 期2 0 1 4 ． 一 1 0 下 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 訇 出 1 基于P L C的数控转台电控 系统 1 ． 1 系统组成 基于P L C的数控转台电控 系统 由齿盘抬起 、齿 盘刹 紧、齿条复位 、齿条到位 、转 台刹紧和转台 泄压 等六 个电磁 阀组成 ，液压站 由 一个液压 马达 驱动，通过液压油缸实现转台的松开、刹紧，工作 台的转位 ，使转台在P L C 控制系统下，完成平面 内 的给定角度回转，进而完成主机对零件的加工 。整 个电控系统采用一台P L C 控制，如图3 所示。 执行 元件5 齿盘刹紧 电磁 阀 执行 元件6 西蕊 电磁阀 图3 基于P L C的数控 转台电控 系统组成结构图 1 ． 2 工作原理 基于P L C的数控转台电控系统 工作原理如图4 所示 。P L C上电运行后， 信号电平为 2 4 V，P L C 程 序 对各个输入信号进行分析处理 ，并按照 已编制 的程序输 出控制信 号，以达到控制齿盘抬起 、齿 盘刹 紧、齿条 复位 、齿 条到位 、转 台刹紧 、转 台 泄压和到位锁紧的目的。 图4 基 j P L C 的数控转 台电控 系统 工作原理 图 2 系统硬件设计 该系统硬件由输入、输出电路 以及P L C 组成 ， 如 图5 所示 。其中输入电路 中的各个开关为继电器 开关信号控制，并将这些控制信号输入NP L C中， 输 入电路中还包括4 个传感器输入信号 ，4 个传感 器均采用P NP 常开型 ，型号为QA F P K1 Y，P L C 主要是对输 入信号进行处理 ，并输 出控制信号 ， 达到控制系统的 目的。输 出电路 中KA1 、KA2 、 KA3 、K A4 、KA5 、KA6 分别为控制幽盘抬起 ， 齿盘刹紧 ，齿条复位，齿条到位 ，转 台刹紧 ，转 台泄压 的线 圈。P L C通过I ／ O点的输出剐怂些接触 器进行控制，从而达到控制各个油腔的通油 与泄 压，可以按照要求实现各个转台动作 。 3 系统软件设计 由于P L C采用的是三菱公司F X3 U系列产品因 此，编程的软件采用三菱公司专用GX De v e l o p e r 。 模拟软件采用与之配套使用的GX S i mu l a t o r 一 7 ． 1 6 一 E 进行离线模拟 。同时GX De v e l o p e r 还具有现场监 控调试P L C状态的功能 ，给现场调试程 序提 供了 方便 。在顺序功能图中齿 条复位是整个程序的重 要组成部分 和核心关键 ，顺序功能图如图6 所示 。 如顺序功能图所示，开机之 后转 台紧刹腔泄压 ， 此时齿条复位 传感器进 行信 号判 别，如果是低电 平 ，表示齿条不在原位 ，齿 条复位油腔通油 ，进 行齿条复位。如果高电平 ，表示齿条在原位 ，齿 盘抬起腔通 油，进行齿盘抬起 ，之后进行检测齿 盘是否抬起到位。到位 后延迟0 ． 5 s ，转台转位腔通 ／， l_一 齿 盘 揞起 ★ 蛔 ■ ， ，／， ， 一 齿 蠹 捌 l曩检 ／ 卜 齿 带 一 位 植 剩 ／ 齿 煮 到 位 椅 剥 卜 ／ 自 慷 l_ 一 卜 转 台 I 位 ／ 转 臼转 位 ／ _ _ { 卜 齿 盘 拇 起 一 齿 盘 卜 ／ 手动 ／ 卜 喜 孟扛 ／， ／ 一 f 一矸售 功 ■ 一 ％脚t 颤 入电 源 图5 基丁P L C的数 控转台电控系统硬 件组成 图 第3 6 卷第1 O 期2 0 1 4 1 0 下 [ 2 9 1 ． ． ． 蝴 ． ． L 陬 悯 儿 蝴 ， 蝴 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 骞 、 l 訇 似 油进行转台转位 ，随后进行检测齿条是否到位 ， 待齿条到位之 后，延迟0 ． 5 s ，齿盘 紧刹 油腔通 油 齿盘落下 ，在 齿盘 紧刹传感器信号为高电平 之后，延迟0 ． 5 s ，齿盘紧刹油腔通油，进行齿盘锁 紧 。值得注意的是 ，在转位之后 ，齿盘紧刹 油腔 和转台刹紧腔必须继续通油将转台锁死。 4 现场调试 程 序调 试 是程 控 系统 投入 运 行前 的重 要 阶 段 ，通过调试，对 程序 的系统组态及逻辑功能逐 步进行修改和完善 ，以更好地满足现场实际运行 要求 。在P L C 的数控转台电控系统的现场调试过程 中，我们遇到了很 多实 际的 问题 ，比如程序之间 相互的干涉，程序 与机械 系统 由于动作不统 一造 成的系统不能运行 ，以及机械系统的许多问题， 调试现场如图7 所示 。 图6 rP L C的数控转 台电控 系统顺序流程图 [ 3 0 1 第3 6 卷第1 O 期2 0 1 4 1 0 下 图7 现场 凋试 图 4 ． 1 初始化问题 在程序测试初期，由于转台在P L C开机时状态 不在原位 ，错误的传感器信号得 电，导致程序从 中问 开 始 运 行 ，但 是机 械 系统 不 符 合 当时 运 动 的 状态，导致机械卡 死不动 。这种情况下很容易造 成机 械 系统 损 坏 。 解决办法手动将机械系统复位 ，在程 序中 加入 适 当的辅 助控 制 步 ，保 证程 序从 头 开始 运 行，完成相应动作。 4 ．2 自动控制程序与手动控制相互干涉 在进行手动 自动程 序综 合调试过程 中，由f 在程 序中手动和 自动程序共用输 出指令，导 致 自 动程序的辅助控制步影响手动程运行。 解决办法1 在有些步骤 中分离 自动控制与 手动控制程序，使其分离化。2 在 自动程序和手 动程序 中加入相应的控制步，用来屏蔽相互 的影 响，如图8 N示。 4 ． 3齿条复位和齿条转位的相互影响 在 调试的最 后，在 齿盘抬起 后，当转位 油腔 通油 齿条刚脱离原位 传感器 刚失去信 号时 ， 转位腔通油立刻停 【 卜，改齿条复位 油腔通油 ，把 齿条送 回原位，随后在如此反 复 循环 ，系统 不能 正常运行。 解决办法这种现象表示齿条复位和齿条转 位的相互影响，由于是单一利用齿条 复位传感器 进行切换状 态，所 以在两 个过程 中加入互锁 ，程 序可以正常运行，如图9 所示。 5 结束语 基于P L C的数控转台电控 系统 ，可 以按照要求 的顺序功能图完成齿盘抬起 ，齿盘刹 紧，齿条 复 位 ，齿条到位 ，转台刹紧，转 台泄压 ，完成运动 的 同时保证定位精 度，数控转 台是镗铣加工 中心 【 下转 第5 9 页】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 【 4 】Ah me t Za f e r S e n a l p．I n v e s t i g a t i o n o f t h e Ef f e c t s o f P e r t u r b a t i o n Fo r c e s t o Bu c k l i n g i n I n t e r na l l y P r e s s u riz e d TO r i s D h e r i c a 1 P r e s s u r e Ve s s e l He a d s ．Ad v a n c e s i n En g i ne ering S of t wa r e 2 01 2； 45 2 32 ． 23 8． 【 5 】李建 中， 岑章志， 徐秉业． 带碟形封 头压 力容器内压屈 曲有 限元分析【 J 】 ． 工程力学 增刊， 1 9 9 8 1 9 3 1 9 6 ． 【 6 】唐超． 内压薄壁碟形封头的简易计算方法[ J 】 ． 化工装备技 术， 1 9 9 4 ， 1 5 0 5 3 3 3 5 ． 【 7 】何 家胜． 碟形封头水 压试 验时的破坏原因f J ] ． 湖北工学院 学报， 1 9 9 8 ， 1 3 0 2 5 3 5 6 ． 【 8 】汤国伟， 张彤 ． 碟形封头压力容器 在内压作用下的弹塑性 屈曲及后屈曲行为研究f J 1 ． 压力容器， 2 0 1 2 ， 2 9 1 0 1 6 2 2 ． [ 9 ]9 杜 平 安． 有限 元网格 划分 的基 本原则 [ J ] ． 机械 设计 与制 造 ， 2 0 0 0 ， 1 0 1 3 4 ． 3 6 ． 童‘ 重‘ 盘‘ 蠡‘ 蠡‘ 童● 矗‘ {盘‘ {重‘ {矗‘ {蠢‘ {矗‘ 蠢‘{重‘ ．出．{岛‘ {矗‘ 矗● {国‘{重‘ 出．出{重‘ 【 上接第3 O 页 】 图8 基 于P L C 的数控转 台电控 系统 主程 序 的核心 部件 ，对于零件的加 工质量存在十分重大 的影 响。经过 实际的调试 ，该 系统 稳定，可靠。 可以投入实际生产过程 中。 I I I I l l ， 上 B 1、 ]r]r]I 、 l H 自 ， 齿条到位检测 自动控制步 转台转位 辅助步 卜 齿条到位检测} 甫 肋步 卜 卜 卜 卜 齿盘到紧 手动控制步 盘抬起 齿盘刹紧 J l I I J 寸 器1 复位齿盘抬起 卜 复位转台睾 专 位 卜 复位转台转位 控{ liI 步 卜 置位辖台 刹控制步 图9 基于P L C的数 控转 台电控系统主程序 参考文献 【 1 】李 金城 ． 三 菱F X2 N P L C功能指令 应用详解 [ M】 ． 北京 电 子工业 出版社， 2 0 1 1 ， I 1 ． 【 2 】陈 洁． 三菱F X2 N P L C控制 系统 应用案例精解 【 M1 ． 北京 电子工业 出版社， 2 0 1 2 ， 3 ． 【 3 】张 宏强 ． 基 于P L C的掘进机 电控 系统 设计 [ J 】 ． 工 矿 自动 化， 2 0 0 9 ， 1 1 ． [ 4 】郑凤翼． 三 菱F C 系列P L C 应用1 0 0 例 [ M】 ． 北京 电子 工业 出版社， 2 0 1 3 ， 3 ． [ 5 】陈 白宁， 段 志敏， 刘文 波． 机 电传动 控制 系统 【 M】 ． 沈 阳 东 北大学 出版社， 2 0 0 8 ， 9 ． 第3 6 卷第1 0 期2 0 1 4 - 1 0 下 【 5 g 】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m