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基於PLC的台式鑽（zuàn）床（chuáng）的自動化控製係統研究

2018-11-20 來源：陝（shǎn）西（xī）工業職業技術學院作者：司昌練，羅梅

摘要：為滿足機床加工需求和提（tí）高加工（gōng）效率（lǜ），將傳統台式鑽床加工方式進行改（gǎi）造，設計了一種基於 PLC 自動化控製的（de）鑽床加工係統。以PLC作為控製器，換向電磁閥、伺服電機、液壓缸為驅動設備（bèi）的控製方法，重點講解了液壓回（huí）路、控製係統的硬（yìng）件組成、電控原理以及PID參數（shù）對控製電機影響。最後，成功連接整個（gè）控製係統（tǒng）回路，並進行鑽床調試和實（shí）驗。實驗數據表明：該鑽床自（zì）動化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；液壓（yā）回路（lù）；PLC

0 引言

隨著經濟的（de）不斷發展、智（zhì）能製造技術不斷完善，對工（gōng）件（jiàn）加工精度提（tí）高了要求，特別是（shì）機（jī）床和鑽床加工（gōng）。因（yīn）此，自動化加工係統進一步提高和（hé）改善，對工件加工具有重要的意義。

目前，在傳統（tǒng）製造行業中，傳統鑽床加工存在了很多不足之處急（jí）待解（jiě）決：第一，傳統鑽床加工過程中自動化不足，麵對（duì）大批量產品需要加（jiā）工時，加工速度很低；第二（èr），麵對極其惡劣（liè）的加工環境下，工人加（jiā）工效率低；第三（sān），自動化程度低，直接影響到零件（jiàn）加工精度低下，增加了生產成本等。

因此，對自動化加工係統的研究是我們當前主要任務，國內外也有很多專家取得了突破。例如：夏長富研究的西門子 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；鄧昌奇對（duì）數控鑽床的自（zì）動化控製係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（yě）能很好地驗證其檢測效果；許家（jiā）忠、王東野等究了一種基於嵌入式控製器的數控（kòng）鑽床控製係統，采用了VC軟件對控製係統的上位機界麵進行了編寫，並且采取了一（yī）種新的算法（fǎ）SA對加工路徑進行了優化設計；國外也有相（xiàng）關研究，日本鑽（zuàn）床研究院設計了一款（kuǎn）主軸自動化控製係統，實現了（le）多（duō）軸控製、主軸進給速度控製，提高（gāo）了主軸轉速和進給速度。

本文設計的自動化台式鑽床加工控製係統主要是建立在傳（chuán）統鑽床加工基（jī）礎之上，進行（háng）了一些改進。電機與主軸之間是通（tōng）過皮帶進行傳（chuán）動，電機轉動帶動主軸（zhóu）旋轉；而鑽（zuàn）床 Z 向垂直（zhí）進給運動（dòng）主要是通過液壓缸進行傳動。控製係統（tǒng）的改進創新點在於（yú）：

①係統控製電（diàn）機（jī）采用伺服電（diàn）機，可以（yǐ）精度（dù）控製進給位置和（hé）速（sù）度；②控製（zhì）過（guò）程中主要采用（yòng）PID算法（fǎ）進行閉環（huán）控製。

1 、台式鑽床平台的搭建（jiàn）及係統控製要（yào）求

1.1 鑽床結構組（zǔ）成

如（rú）圖1所示，是設計的一款台式鑽床模型圖。其主要組成結構有：活塞杆、液壓（yā）缸筒、皮帶輪、伺服電機等等（děng）。電機與主軸（zhóu）之（zhī）間是通過皮帶進（jìn）行傳動，電機轉動帶動主軸旋轉；而鑽床 Z 向垂直進給（gěi）運動主要是通過液（yè）壓缸（gāng）進行傳（chuán）動。

1.2 係統控製要求

將待加工的工件放到台式鑽床工作台上，調整X、Y（即前後、左右）方向的（de）方向輪，待工件位於鑽頭垂直正下方（fāng）時，啟動（dòng）電機開關，使得主（zhǔ）軸開始（shǐ）轉動，然後按下（xià）液壓泵電機開關，啟動液壓泵電機，最後按下進給運動開關，使得鑽床開始對工件進行加工處理。台式鑽床加工工件具體工步順序要求如下：加工工步要求：

（1）工（gōng）作台X、Y方向水平移動情況：X方向移動是靠導滾珠絲杠完成的，Y方向移動（dòng）也是靠滾珠絲杠（gàng）完成的，兩者都是由手動操作方向輪來精確調節工件的（de）具體（tǐ）位置。

（2）變頻調速：控製過程中采用變頻器進行調速，提供準確的速度控製，便於控製鑽床快進、工進（jìn）、快退。

（3）工件整個加工過程可以分兩種方式來完成：

①自動循環加工：按（àn）下啟動按鈕，鑽床按照事先設定（dìng）的控製程序連續完成對工（gōng）件加工，直到按下停止按鈕，否則加工工作（zuò）一直進（jìn）行；②手動操作：在設計過程中，鑽床啟動（dòng）、停止、主軸快進（jìn）、工進、快退等 5 個動作步（bù）設置 5個按鈕分別控製鑽床每一步工序。

（4）當按下鑽床啟動按鈕後，鑽床主（zhǔ）軸快進、工進、快退等工序過（guò）程必須設置行程開關，且（qiě）每個動作相互之間必須有互鎖作用。

（5）在加工過程中，控製活塞缸運動（dòng）的液壓（yā）缸密封性良好。

2 、液（yè）壓回路設計

2.1 液壓回（huí）路基路本組（zǔ）成

液壓回路基本（běn）組成部分包括（kuò）五大部分（fèn）：液壓裝置、介（jiè）質、執行元件、控（kòng）製元件、輔助部分。

本文設計的台式鑽床活塞杆機構（gòu）由液壓缸（gāng）筒控製，其係統控製原理圖如圖2所示。

鑽床（chuáng）係統控製原理圖分為兩部分：第一部分（圖 1所（suǒ）示）伺服電機4控（kòng）製皮帶輪3，從而帶動主軸轉動；第二部分（圖2所示（shì）），當工件到達（dá）指定加工位置時，三位四通電磁換向閥1左側1Y得電，液壓油快速進（jìn）入，實現主軸快進工序；快進結束後（hòu），三位四通電磁換向（xiàng）閥1Y、二位二通電磁換向閥3Y、以及兩位三通電磁換向閥4Y同（tóng）時得電，此（cǐ）時主軸進入工進；當加工完成後，三位四通電磁換向閥 2Y 得電，二位二通電磁換向閥 3Y、以及兩（liǎng）位三通電磁換向閥 4Y 失電，此時主軸進入快退狀態。整個加工過程液壓控製回路電磁鐵動（dòng）作順序如表（biǎo）1所示（shì）。

2.2 液壓元件選（xuǎn）型

本文設計台式鑽床控製係統中主（zhǔ）要相關元器件型號如表2所示。

2.3 液壓缸內（nèi）部直徑計算

根據實際加（jiā）工過程中負載大小p1=4MPa，在主軸進（jìn）行工進過程中，為了防止在工進結束後繼續前進，特此在回油路中增加背（bèi）壓閥，且壓力值 p1=0.9MPa，活塞杆直徑d=100mm

。根據公（gōng）式（shì）可得液壓缸直徑為（wéi）：

3 、台式鑽床電控係統設計

3.1 係統硬（yìng）件組成

基於PLC的台式鑽床控製係統的基本組成（chéng）結構包括主控器（qì） 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（shū）入設（shè）備包括傳感（gǎn）器、控製按（àn）鈕、行程開關；輸出設備主要包括換向電磁閥、電動機、繼電器以及負（fù）載（例如（rú）報警燈，鳴（míng）笛等）。控製（zhì）係（xì）統基本組（zǔ）成結構如圖3。

3.2 電（diàn）機控（kòng）製原理

如圖 4 所示，是控製鑽床主軸電（diàn）機 M1H 和控製液壓泵電機 M2 原理圖。其中 QS1 和 QS2 表（biǎo）示（shì）控製電路中的斷路開關；FU表示熔斷器；接觸器KM1、KM2為接觸器開關，主要受 PLC 中 KM1、KM2 線圈控（kòng）製，當線圈得電時，接（jiē）觸（chù）器（qì）開關閉（bì）合，相反接觸器開關斷開；熱繼電器FR1、FR2主要是起到保護電機的作用。

3.3 伺（sì）服電機

PID控製在自（zì）動（dòng）化加工台式鑽床控製係統中，主軸的轉速受伺服電機 M1 製，加工過程中，主軸（zhóu）轉速的穩定性至關（guān）重要，直（zhí）接影響到（dào）工件加工精度。因此電機伺服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（èr）定律及基爾霍夫定律，對圖5 示意圖列出方程組：

經過拉普拉斯變換法，消除中間變量，得到傳遞函數為：

3.4 係統PLC編（biān）程

台式鑽床自動化加工控製係統主要有兩種控製方式：手動開（kāi）關控製和（hé）觸摸屏控製。主控器三菱 PLC 上的 I/O 口（kǒu）作為輸入、輸出，控製（zhì）著整（zhěng）個鑽床動作（zuò）。①在（zài）手動控製情況下，通過開關來控製鑽床啟動和（hé）停止，方便手動調試和檢修；②在觸摸屏控製方式下，有單周期和自動（dòng）循環選擇，通過點擊觸（chù）摸屏軟開關向觸摸屏輔助繼電器發出（chū）命令（lìng），從而控製輸出線圈通斷；其中 X0急停（tíng）命令，X1 為啟動命令，X2、X3、X4、X5 為相應的檢（jiǎn）測信號（hào）。經上述分析，列出控製係統（tǒng）PLC的I/O分配如表3所示。

其中，開關SB1控製鑽床急停，SB2控製鑽床啟（qǐ）動，SQI、SQ2、SQ3分別表示主軸（zhóu）快進、工進、快退等限位開關，具體如圖（tú）6所示。

3.5 係統控製流程分析

如圖 7 所示，鑽床自動化加工控製功能流程圖，包括（kuò）了主軸電機啟（qǐ）動、液壓泵（bèng）點擊啟動、快速進給運動、工進運動（dòng）、主軸停留、主（zhǔ）軸（zhóu）快（kuài）退、主軸停止等。具（jù）體每一步工（gōng）序分析如下：

（1）電機啟動：當初是（shì）脈衝 M8002 作用時，係統處於原始狀態，當給PLC命令時，KN1、KM2線圈得電，此時定時器 T1 定時，時（shí）間到時接觸器開關 KM1、KM2 閉合，主軸電機和液壓泵電機（jī）主控線路接通，電機瞬間啟動；

（2）快進工序：當檢測到（dào）工件時，按下檢測工件按鈕 SB3，此時（shí）工件被加緊，夾緊後定時器 T2 定時，到達定時時間時，PLC發（fā）出命令，主軸快進；

（3）工（gōng）進工序：當主軸在快進的過程中壓（yā）下行程開關SQ1時，此（cǐ）時PLC發出命令，主軸處於工進狀態；

（4）停留工序：當主軸在工進的過程中壓下（xià）行（háng）程開關（guān）SQ2時，此時（shí）PLC發出命令，主軸處於暫（zàn）停狀態（tài）；

（5）快（kuài）退（tuì）工序：當主軸暫停狀態時（shí），定時器 T3開始計時，到達指定時間後，主（zhǔ）軸開（kāi）始快退，定時器（qì）T4開始計（jì）時，到（dào）達指定時間後，主軸（zhóu）停止。

4、樣（yàng）機實驗

自動化（huà）台（tái）式鑽床控製係統監控建立（lì）在工業組態基礎（chǔ）上，設計中我們采用MCGS的TPC1162Hi觸摸屏作為本次試驗的監控設（shè）備，在MCGS中建立搬運機械手（shǒu）變（biàn）量和PLC變量得到控製界麵見圖8，並且將兩者變量相互建立（lì）關係，將整個控製係統線路連接之後，設（shè）置電機驅動器不同的 PID 參數（表 4），通過操作上位機，最終測試出在不同PID參數下機械運行狀態平穩程度（dù），以及達到平穩狀態所需要的時間（見表 4）。而（ér）且利用（yòng） Matlab仿真實際樣機實驗得出（chū）電機趨於穩定運行狀態的最優參（cān）數，且Matlab仿真[10]PID控製階躍響時間與實際樣機測試基本吻合，證明我們本次設計結果的合理性。

5 、結論

本文以傳統鑽床為基礎，對鑽床控製係（xì）統進行（háng）設計和（hé）改進。介紹（shào）了液壓傳動和電控技術在台式鑽床中的應用，給出了鑽床結（jié）構圖、液壓回路、電機控（kòng）製、以及PLC 的（de） I/O 分配。通過控製電機且不斷調節 PID 參數，實現控製進（jìn）給速（sù）度；最後（hòu）組態（tài）王軟件建立人機交互按界麵，使得控製更加清晰、簡單（dān）。該鑽床自動化改造不僅保（bǎo）留了（le）原鑽床基本結（jié）構和工作性能，而且是對機械、電子技術的綜合應用，實現了自（zì）動化加工。

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