一种基于PLC的磨刀机数控系统设计.pdf

2 0 1 5年 7月 第 4 3卷 第 1 4期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAUL I C S J u 1 ． 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ．1 4 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 1 4 ． 0 4 4 一 种基于 P L C的磨刀机数控系统设计 赖乙宗，邱钊湃，陈剑东，叶峰 华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州 5 1 0 6 4 0 摘要根据一种新型多工作模式立轴转盘磨刀机的控制要求 ，以F X 2 N系列 P L C为控制核心，G T 1 0 0 0系列触摸屏为人 机界面，通过 1 0 P G定位模块 、手动脉冲发生器和伺服驱动器控制X、Y两轴的伺服电机，实现设备工作过程的手动操作模 式以及步进磨削、连续磨削、整盘磨削与分段磨削等 自动加工模式 ，满足精确定位、砂轮 自动补偿及 自动修整等功能。测 试结果表明控制系统工作稳定可靠 ，生产效率得到提高。详细介绍了控制系统硬件与软件两部分的设计过程。 关键词转盘磨刀机；数控系统 ；可编程逻辑控制器 ；定位模块 中图分类 号 T P 2 7 3 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 1 - 3 8 8 1 2 0 1 5 1 4 1 3 2 4 De s i g n o f a Nu me r i c a l Co n t r o l S y s t e m Ba s e d o n PLC L A I Y i z o n g ， Q I U Z h a o p a i ，C HE N J i a n d o n g ，Y E F e n g S c h o o l o f M e c h a n i c a l a n d A u t o m o t i v e E n g i n e e r i n g ， S o u t h C h i n a 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 z h o u G u a n g d o n g 5 1 0 6 4 0 ，C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e c o n t r o l r e q u i r e me n t s o f a n e w mu l t i mo d e v e r t i c a l s p i n d l e g r i n d e r ，a n u me ric a l c o n t r o l s y s t e m w a s d e s i g n e d i n w h i c h a F X2 N P L C wa s a s t h e c o n t r o l c e n t e r a n d a GTI O 0 0 t o u c h s c r e e n a s HMI ．W i t h t w o 1 0 P G o rie n t a t i o n mo d u l e s ，a ma nu a l p u l s e g e n e r a t o r a n d t wo s e r v o d riv e s。X a x i s s e r v o mo t o r a nd Y- a xi s s e r v o mo t o r，t h e ma n ua l o p e r a t i o n mo d e，s t e p g rind i n g mo d e ，c o n t i n u o u s g ri n d i n g mo d e ，r o u n d g n n d i n g mo d e we r e a c h i e v e d a s w e l l a s t h e s e g me n t e d g r i n d i n g mo d e d u ri n g t h e w o r k i n g p r o c e s s ． Ac c u r a t e p o s i t i o n i n g，a u t o ma t i c c o mp e n s a t i o n a n d d r e s s i n g o f t h e wh e e l we r e a l s o p r o v e d ．T e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e c o n t r o l s y s t e m i s s t a b l e a n d r e l i a b l e wi t h a n i mp r o v e me n t o f p r o d u c t i o n e ffi c i e n c y ． T h e d e s i g n p r o c e s s o f t h e c o n t r o l s y s t e m i n c l u d i n g t h e h a r d w a r e a n d s o f t w a r e w a s i n t r o d u c e d i n d e t a i l ． Ke y wo r d s T u r n t a b l e g ri n d e r ；Nu me ri c al c o n t r o l s y s t e m；P L C；O rie n t a t i o n mo d u l e 我国的刀剪行业发展历史悠久 ，主要产品包括菜 刀 、剪刀 和小 刀等种类 。近些年来 ，国内磨刀设备 的 自动化水平得 到提升 ．刀剪磨 削加工 的效率 、精度与 多样性都有所突破。如何更好地保证质量 ，提高效 率 ，降低成本 ．满足 多样化 的工艺需求 ，成为 当今许 多刀剪 制造企业 最为关注的问题 J 。 阳江某企 业针对 刀剪磨 削加 工 的一 般工艺 流程 ， 成功开发出新 一代多工作模 式立轴转盘磨 刀机机械设 备，亟需一套可靠、高效的自动控制系统来实现设备 的 自动 化控制 ，从 而提高生 产效率 和保 证产 品质量 。 在对工 艺流程 和设备 功能进 行分析后 。设计 出一套 由 P L C 、定位模块 、手动脉冲发生 器 、触摸屏 、交流伺 服驱动器与伺 服电机所组成 的数控 系统。控制系统实 现多工作模式要求，工作效率高，操作简单 ，人机界 面简洁。下文将详细介绍数控系统的电气控制原理以 及软件设计 过程。 1 设备控制与工作模式 多工作模 式立轴转盘磨 刀机的主要控 制对象包括 以下模块l ， 轴电机与传动模块 、 轴电机与传动模 块 、修整器 与探 头模 块 、切 削液 模块 以及 润 滑 液模 块 。y轴模 块通过交流伺 服驱动器与伺 服电机实现砂 轮在 y 轴方 向上的位 置与速度控制 ；X轴模块通过交 流伺服驱动器 与伺 服 电机实 现转 盘在 轴 方 向上 的 位置与速度控制修整器与探头的伸缩通过气缸电磁 阀开关控制 ；切削液通过水 泵实现循 环使用 ；润 滑液 通过油泵和输送管供给滚珠丝杆及涡轮蜗杆等传动部 件 工件则 由夹具固定在转盘的各 个工位 上。 多工作模式立轴转盘磨刀机有手动模式和自动模 式两种控制方式 6 ] 。手动模式 的功能主要是实现大致 对刀、砂轮修整与工件定位，包括砂轮点动、转盘点 收稿 日期 2 0 1 4 0 7 0 2 基金项目广东省教育部产学研结合重大项 目 2 0 1 2 A 0 9 0 3 0 0 0 1 3 ；广东省数控一代示范工程项 目 2 0 1 2 B 0 1 1 3 0 0 0 5 5 ； 2 0 1 2 B 0 1 1 3 0 0 0 4 5 作者简介赖乙宗 1 9 7 2 一 ，男，博士，讲师，研究方向为嵌入式系统设计。E - ma i l y z l a i s c u t ． e d u ． a n 。 - 1 3 4 机床与液压 第 4 3卷 分段磨削模式设置界面上 ，用户通过输入框设 置 各个参数值 转盘 定位 补偿 参数 通 过 “ 转 盘定 位 补 偿”按钮跳转到子页面上设置 ，初次修改完成后按 下 “ 参数确认 ”按 钮 ，即可 返 回主界 面 半 自动 模 式下 ．每进行一轮加工还可再次调整参数 ，需要按下 “ 参数确认 ” 与 “ 速 度 确认 ” 两个 按 钮 ，如 果 按 下 “ 全程 自动 ”按钮则为全 自动模 式 ，设备 按照设定 好 的参数连续加工 。 界面程序在电脑 中编写完成后 ，通过 U S B数据 线或 R S 2 3 2通信 电缆 下 载 到 G T 1 0 0 0触 摸 屏 。触 摸 屏通 过通信 电缆与 P L C编程器 端 口连接 ，通 过操作 触摸屏 上 的人 机界 面 ，用 户就 可 以方 便 地进 行 各项 手动操 作 以及 对各 工艺参 数 进行 读写 ，还 能直 观 获 知加 工过程 中的报警 信 息 。便 于规 范 操作 和维 护设 备 。 3 ． 2 P L C程 序设 计 多工作模式立轴转盘磨刀机 的动作过程要按照工 艺流程 ．因此 P L C程 序 主要用 顺序 功能 图编 程语 言 S F C 进行编写 ，在程序的设计、调试和升级上都 比较方便 。程序中，主要用到 DF R O M ／ D T O指令进行 P L C与定位模块的指令和数据传送．指 令 的周期不超 过几 百微 秒 『 1 。砂 轮通过 自动碰探 头 对坐标 变化 即砂 轮磨损 量 进 行测 量 ．由于数 据 存储指令周期极短，严格控制了测量误差。 P L C程序包括初始化、手动操作模式和自动运行 模式这三大模块，自动运行模式模块由步进磨削、连 续磨削 、整盘磨削和分段磨削这 4个模式 的 S F C程序 块所组成 。初始化程序 中执行 的操作包括 相关辅助 继 电器和存储单元 的清零 ，定位模块 的初始设置 以及 各开关 的复位等 。手动 模式程 序 中执行 的操作包 括 转盘点动 、砂轮点动 、机械 回零 、加工 回点 、砂轮修 整 、 自动碰探头并记录探头坐标 以及对刀并记录对刀 点坐标等 。启动某一 自动运行模式后 ， 砂轮从加 工零 点运动到对刀位置 ，转盘旋转进给 的同时砂轮做线性 补偿 ，转盘每转过设定 的圈数砂轮触碰一次探头 ．测 量计算出砂轮磨损量，若没有超过允许的最大磨损量 则进行下一轮加工 ，否则停止运行并报警提示 。当 出 现故障时 ，设备 自动 停止 运行 ，返 回手动 操作模 式 ， 并通过指示灯和触摸屏界面提示用户出现故障或者进 行下一步操作 。软件程序流程 图如 图 3所示 。 I 垫塑 些I 匝豳 匝麴 匝圃 [堑口 1 -7 l回加 工霉 点 I 步 进磨 削模 式 连续 磨 削模 式 l 砂轮 对刀J 击 I 堂 坌苎 J 转盘慢速旋转 用户 设 定圈 数 N 定 Y 择 自 行模 整 盘 磨 削 模 式 卜 砂轮回加工零I I 砂轮回加工零 点，然后对刀I I 点，然后对刀 转盘慢速转动I f 转盘快速转动 砂轮线性补偿I l 砂轮线性补偿 ／转过设＼ 圈 砂 轮停 止后 回加工零点 主 砂轮碰探头 测 量磨 损量 砂 轮停 止转 动 回到加工零点 转 盘慢 速转 动 用户收放工件 Y I I 薹 誉 f 砂轮回加工零I I 点 ， 然 后 对 刀 J 二匕 l 转盘慢速转动I l 砂 轮 线 性 补 偿 I 二亡 f磨完一把刀后 l 砂轮退刀，转盘 I快速定位补偿 N ／ 每过 ＼ 圈数 Y v 夏 ． I 砂轮停止后1 I 回加工零点J 二 『 砂轮碰探头I 【 测量磨损量J 砂 轮 回机械 零 点 停机 报 警 图 3 P L C程序流程图 4试样 结果 将 P L C数控系统 安装 在多 工作模 式 立轴 转盘 磨 刀机上进 行试 样 的结果 表 明在 P L C数 控 系统 的控 制 下 ，转盘磨刀机 的加工工 艺过 程得到完 整 的实现 ， 加工精度 与稳定 性 较传 统 的液压 磨 刀机 有 了明显 提 高。例如在 目标 磨削量 为 0 ． 2 m m的条 件下 ，3种 自 动磨 削模式加工后所得 到产 品的误差均在 0 ． 0 2 ～ 0 ． 0 7 m m 内．满足用户对加工精 度的要求 ，并 且避免 了不 同批次产 品之 间的精度波动 。 自动控制模式使得转盘 式结构 的高效性得 以充分发挥 ，生产效率较传统液压 设备提高 3 ～ 4倍。产品加工前后如图 4 所示。