基于LabVIEW磨粒流拋光機(jī)床的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蘇東楠

（長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院，吉林長春，130012）

基于LabVIEW磨粒流拋光機(jī)床的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蘇東楠

（長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院，吉林長春，130012）

本文中的磨粒流精密拋光機(jī)床的驅(qū)動主要是利用液壓系統(tǒng)完成的，本文介紹了拋光機(jī)床的液壓驅(qū)動系統(tǒng)的控制的過程，并且以LabVIEW為主站，PLC為從站，完成對機(jī)床的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)“裝夾”，“加工”，“歸原點(diǎn)”，“急?！钡纫幌盗械募庸せ緞幼鳎ㄟ^LabVIEW建立的人機(jī)友好交互界面，方便監(jiān)控加工的過程，加工參數(shù)。

磨粒流；拋光機(jī)床；液壓控制；Lab VIEW

0 引言

通常機(jī)床的控制系統(tǒng)大多采用的PLC進(jìn)行控制。PLC具有可靠性高、操作簡單、通訊能力強(qiáng)、拓展能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。［1-2］但是達(dá)不到實(shí)時監(jiān)控運(yùn)動狀態(tài)的要求，而且后期參數(shù)的監(jiān)測都打不到可視化的過。LabVIEW是一種圖形化的編程語言，簡稱為G語言，相對于傳統(tǒng)的編程語言相，它的優(yōu)點(diǎn)是用圖形語言代替文本代碼的編程方式，技術(shù)更新快、用戶自行定義、與外圍設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)連接方便、人機(jī)對話方便等優(yōu)點(diǎn)。［3］基于LabVIEW和PLC共同控制，使得精密機(jī)床的控制系統(tǒng)控制精度高、操作簡單、通訊方便、監(jiān)控方便。

1 拋光機(jī)床的液壓系統(tǒng)概述

磨粒流精密拋光機(jī)床的驅(qū)動是由液壓系統(tǒng)完成的，其液壓控制示控制系統(tǒng)的流程圖和如圖1所示：

根據(jù)機(jī)床的動作要求，其動作順序是三個浮動液壓缸活塞推動上料缸和上蓋板勻速向下運(yùn)動→三個浮動液壓缸活塞同步勻速向下運(yùn)動的同時，其上液壓缸活塞推動上料缸和上蓋板一起向下同步運(yùn)動（夾緊工件）→下液壓缸進(jìn)油、回油，上液壓缸進(jìn)油、回油，使磨料在上、下料缸和夾具組成的通道內(nèi)往復(fù)運(yùn)動，完成對一次循環(huán)（循環(huán)加工）→上、下液壓缸循環(huán)進(jìn)油推動上下料缸上下往復(fù)移動直到完成加工，達(dá)到要求的加工精度。［4-6］故可得液壓系統(tǒng)的原理圖如圖2所示

根據(jù)機(jī)床的控制，電磁鐵的動作順表如表1所示。

圖2 液壓原理圖Fig.2 Hydraulic schematics

表1 電磁鐵動作順序表Tab.1 Electromagnet order table

3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

分析表1可得磨粒流精密拋光機(jī)床的運(yùn)動控制系統(tǒng)主要有數(shù)字量輸入、輸出點(diǎn)各10個、模擬量輸入點(diǎn)、輸出點(diǎn)各2個，選用S7-200（CPU為226），CPU 226有24個數(shù)字量輸入、16個數(shù)字輸出點(diǎn)，可以連接多個擴(kuò)展模塊，最多可以連接7個擴(kuò)展模塊（擁有248路數(shù)字量輸入/輸出或是38路模擬量輸入/輸出），它的優(yōu)點(diǎn)是可靠性能高、通訊能力強(qiáng)、擴(kuò)展模塊豐富。由液壓原理圖可得本篇文章中PLC控制的信號包括：10個數(shù)字量輸入有限位開關(guān)S1～S10，10個數(shù)字量輸出有電磁鐵Y1～Y10，模擬量輸入和輸出是2個控制上、下液壓缸的比例伺服閥的模擬檢測信號，PLC數(shù)字量和模擬量的輸入、輸出引腳接線圖如圖4所示。

4 磨粒流精密拋光機(jī)床控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

磨粒流精密拋光機(jī)床控制系統(tǒng)的軟件軟件開發(fā)是由PLC和LabVIEW共同完成的，其主要步驟如下建立PLC和LabVIEW的通信→設(shè)定參數(shù)→夾緊工件→循環(huán)加工→自動檢測加工精度達(dá)到設(shè)定要求→達(dá)到加工精度→液壓缸退回原位→液壓泵卸荷、停止運(yùn)動

4.1 LabVIEW和PLC的通信

LabVIEW和PLC的通信是靠Modbus來實(shí)現(xiàn)，Modbus是Modicon發(fā)明的用在工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議。［7-8］本文中實(shí)現(xiàn)通信時，LabVIEW是主站，PLC是設(shè)計(jì)時的從站，為了實(shí)現(xiàn)主站和從站之間的通信用在PLC的梯形圖中利用網(wǎng)絡(luò)1把Modbus的從站（plc）的地址設(shè)置為1，端口0的波特率設(shè)置為9600，無延遲、無校驗(yàn)、允許存儲和讀取全部的I、Q及AI數(shù)值，存儲寄存器擁有從VB0開始的2000個字節(jié)的存儲空間。［9-10］然后用網(wǎng)絡(luò)2來設(shè)定每次掃描都執(zhí)行Modbus指令，接下來在LabVIEW中新建I/O Server之后，完成Modbus I/O Server的參數(shù)配置，配置時需要注意地址的設(shè)定要和上一步的地址相匹配，來完成主站和從站的之間的通信，LabVIEW和PLC通信建立完成，這樣可以用LabVIEW來控制S7-200來完成機(jī)床的運(yùn)動控制。如圖3所示。

圖3 Modbus I/O ServerFig.3 Modbus I/O Server

圖4 人機(jī)交互界面Fig.4 Human-computer interaction interface

主站、從站通信完成后，根據(jù)設(shè)精密拋光機(jī)床的液壓控制系統(tǒng)原理圖，來設(shè)定系統(tǒng)輸入、輸出變量，即輸入?yún)?shù)為電磁鐵Y1～Y10，輸出參數(shù)為行程開關(guān)S1～S10，模擬量輸入變量I1.0和I1.1，模擬量輸出變量Q1.0和Q1.1，完成了基本設(shè)置。其人機(jī)交互界面的建立如圖4所示。

4.2 控制系統(tǒng)的主要程序模塊

4.2．1 夾緊工件動作

當(dāng)所有準(zhǔn)備工作完成后，程序處于運(yùn)行狀態(tài)，LabVIEW的交互界面十分簡單，只是用鼠標(biāo)操作，人機(jī)交互界面中按鈕都是虛擬的，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“開機(jī)”按鈕后，就會有液壓油進(jìn)入3個浮動的液壓缸和上液壓缸的上腔，推動相應(yīng)的活塞勻速向下運(yùn)動。當(dāng)4個液壓缸同時運(yùn)動到底，加工工件被夾緊，此時，“工件夾緊”的指示亮，工件夾緊的執(zhí)行過程為：2個電磁鐵Y4、Y6同時得電，浮動液壓缸活塞和上液壓缸中的活塞在液壓油的作用下同時下降，當(dāng)上液壓缸活塞運(yùn)動到底并觸動開關(guān)S8后，電磁鐵Y4、Y6斷電，浮動液壓缸和上液壓缸停止運(yùn)動。工件被夾緊。在工件夾緊過程中，為了減小浮動液壓缸同步運(yùn)動的累積誤差，通過液壓系統(tǒng)中的兩位兩通的電磁換向閥配合限位開關(guān)使用來達(dá)到減小的目的。

4.2．2 循環(huán)加工

當(dāng)完成工件夾緊動作后，“工件夾緊”的指示燈亮，通過鍵盤輸設(shè)定人機(jī)交互界面上的 “加工次數(shù)”和“加工缸活塞速度”參數(shù)，“準(zhǔn)備工作完成”指示燈亮，點(diǎn)擊“加工”按鈕，此時，上下液壓缸中的活塞往復(fù)移動，推動料缸中的磨料往復(fù)通過工件，來完成零件的拋光，此過程為控制過程的核心，循環(huán)加工的執(zhí)行過程為：電磁鐵Y7、Y8通電，液壓油進(jìn)入到上液壓缸和下液壓缸中的上腔，兩缸中的活塞同時向上運(yùn)動，料缸中的磨料在活塞的作用下，由下料缸通過工件進(jìn)入到上料缸，，拋光一次，兩缸中的活塞運(yùn)動到底，觸碰行程開關(guān)S7、S9，電磁鐵Y7、Y8斷電，電磁鐵Y6、Y9得電，兩缸中的活塞同時勻速向下運(yùn)動，推動料缸中的磨料向下運(yùn)動，由下料缸通過工件進(jìn)入到上料缸，再次對工件拋光，當(dāng)兩個活塞分別觸碰觸行程開關(guān)S8、 S10，電磁鐵Y6和Y9斷電，電磁鐵Y7和Y8得電，上、下液壓缸中的活塞再次同時上行，循環(huán)往復(fù)，多次拋光工件，達(dá)到指定的循環(huán)次數(shù)，循環(huán)加工動作停止?；钊倪\(yùn)動速度會對機(jī)床加工區(qū)的溫度存在一定影響，溫度升高，通過工件的磨料的溫度會發(fā)生變化，進(jìn)而影響拋光精度，故活塞的速度能夠調(diào)節(jié)，從而控制加工區(qū)域的溫度，不至于變化過大，對加工精度造成影響，其部分程序框圖如圖5所示。

圖5 “加工”部分程序框圖Fig.5 "Machine" part of the program block diagram

4.2．3 液壓缸退回原位

當(dāng)完成用戶設(shè)定的循環(huán)加工次數(shù)后，循環(huán)加工停止，上下液壓缸中的活塞將停止運(yùn)動，“加工完成”的指示燈亮。當(dāng)防止循環(huán)次數(shù)達(dá)到，但是上、下液壓缸仍然可能沒有達(dá)到缸底，仍在運(yùn)動中，應(yīng)當(dāng)?shù)鹊健凹庸ね瓿伞钡闹甘緹袅梁汀耙簤焊滓苿又小钡闹甘緹魷?，再點(diǎn)擊“液壓缸回原位”按鈕，所有的液壓缸和料缸退回原位。其運(yùn)動過程是：電磁鐵Y5、Y7通電，浮動液壓缸、上液壓缸同時快速上行，回到初始位置。其部分程序框圖如圖6所示。

所有動作完成后，泵卸荷，卸荷完成后，停止程序。運(yùn)工件拋光過程會出現(xiàn)很多突發(fā)情況，為了應(yīng)對這些突發(fā)情況，特設(shè)置 “急?！卑粹o，程序是也具有記憶功能的，如若就需要繼續(xù)加工，只需點(diǎn)擊人機(jī)交互界面中的繼續(xù)加工按鈕，如若想重新加工，需要將所有液壓缸回原位，重新點(diǎn)擊“加工”按鈕。

5 結(jié)論

磨粒流拋光機(jī)床的驅(qū)動系統(tǒng)主要是利用液壓系統(tǒng)來完成驅(qū)動的，LabVIEW和PLC通信來完成磨粒流拋光機(jī)床的控制動作，加工參數(shù)可調(diào)，操作簡單，人機(jī)對話便捷，監(jiān)控界面方便，拋光出來的工件精度更高。

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Design of Abrasive Flow Polishing Machine Control System Based on LabVIEW

SU Dong-nan
（College of Optical and Electronical Information Changchun University of Science and Technology， Changchun City Jilin Province，130012）

In this paper， the abrasive flow precision polishing machine tool main drive is done using the hydraulic system，This paper introduces control process of the polishing machine tool hydraulic system. And LabVIEW is main station， the PLC is from the station， to complete design of machine control system. Make machine can realize “clamping”， “processing”， “go home”， “stop” and a series of processing basic movements. The machine can be implemented established friendly man-machine interface by LabVIEW， it is Convenient to monitor machining process， machining parameters.

Abrasive Flow； Polishing Machine； Hydraulic Control； Lab VIEW

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.09.012

SU Dong-nan. Design of Abrasive Flow Polishing Machine Control System Based on LabVIEW［J］. The Journal of New Industrialization， 2016， 6（9）： 72-76.

蘇東楠.基于LabVIEW磨粒流拋光機(jī)床的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 新型工業(yè)化，2016，6（9）：72-76.

蘇東楠（1989-），女，助教，機(jī)械制造及其自動化