基于PLC的三面銑組合機(jī)床控制系統(tǒng)研究*

曹忠亮，曹孝文，郭建華

(齊齊哈爾大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

基于PLC的三面銑組合機(jī)床控制系統(tǒng)研究*

曹忠亮，曹孝文，郭建華

(齊齊哈爾大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

以三面銑組合機(jī)床為研究對(duì)象，采用三菱FX(2N)系列可編程控制器(PLC)代替純繼電器-接觸器對(duì)機(jī)床電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行全新的設(shè)計(jì)與改造，設(shè)計(jì)方案中包括I/O接口的分配，控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)以及加工流程的規(guī)劃，并結(jié)合系統(tǒng)液壓原理圖進(jìn)行各部分PLC程序的編寫(xiě)，以達(dá)到組合機(jī)床高效率、自動(dòng)化的加工要求。

組合機(jī)床；PLC；控制系統(tǒng)；液壓系統(tǒng)

0 引言

組合機(jī)床是一種專(zhuān)用機(jī)床，以大量通用部件為基礎(chǔ)，再配置少量專(zhuān)用部件?？梢詫?shí)現(xiàn)多工序、多軸、多面的高效率的加工。是一種自動(dòng)化程度很高的自動(dòng)化加工設(shè)備[1-2]。

傳統(tǒng)的組合機(jī)床通常采用純繼電器、接觸器控制方式，這種控制方式改變控制方法難、觸點(diǎn)易損壞，穩(wěn)定性差[3-4]。曾燕飛等[5]人針對(duì)三面組合機(jī)床進(jìn)行了PLC設(shè)計(jì)與仿真；衛(wèi)道柱等[6]人利用三菱FX2n-64MR 型PLC作為機(jī)床控制系統(tǒng)的核心，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)；荀群德等[7]人針對(duì)六工位組合機(jī)床電器控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了PLC對(duì)機(jī)床的控制作用；本文在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上，利用三菱FX可編程控制器(PLC)對(duì)機(jī)床電氣系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)在于可以使用轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和手動(dòng)的切換，以及通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)就可以進(jìn)行自動(dòng)部分程序的選擇，該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是可大大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，使得系統(tǒng)維護(hù)方便，大大加強(qiáng)了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。

1 組合機(jī)床簡(jiǎn)明概述

1.1 結(jié)構(gòu)及組成

三面銑組合機(jī)床是一種專(zhuān)用機(jī)床，主要用來(lái)對(duì)主軸箱上的φ80、φ90孔兩側(cè)端面和定位面進(jìn)行銑銷(xiāo)加工成型的一種自動(dòng)多工序加工設(shè)備。三面銑組合機(jī)床主要是由底座，床身，液壓動(dòng)力滑臺(tái)，工作臺(tái)，工件夾緊放松液壓缸，銑削動(dòng)力頭等主要部件組成。液壓動(dòng)力滑臺(tái)放置在床身上，液壓站被放置在床身周?chē)?。在床身的左邊有一臺(tái)銑削電機(jī)，右邊有兩臺(tái)銑削電機(jī)，床身上方有一臺(tái)立銑電機(jī)，機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)為機(jī)床的兩大主要系統(tǒng)，圖1為機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖1 機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 組合機(jī)床工作過(guò)程

操作者將加工的零件，放置在夾具的正確位置之后，按下加工按鈕，發(fā)出加工的指令。夾緊液壓缸動(dòng)作將工件夾緊。液壓動(dòng)力滑臺(tái)開(kāi)始快進(jìn)，到達(dá)第一指定加工位置后，觸發(fā)限位開(kāi)關(guān)，快進(jìn)轉(zhuǎn)工進(jìn)。同時(shí)左電機(jī)和右1電機(jī)得電啟動(dòng)，對(duì)工件進(jìn)行加工。觸發(fā)第二個(gè)立銑頭限位開(kāi)關(guān)后，立銑動(dòng)力頭也得電，開(kāi)始對(duì)定位面進(jìn)行加工。加工到第三個(gè)限定位置后，停止右1電機(jī)，啟動(dòng)右2電機(jī)。此時(shí)三臺(tái)電機(jī)同時(shí)對(duì)工件進(jìn)行加工。到達(dá)加工極限位置后，觸發(fā)終點(diǎn)限位開(kāi)關(guān)，工件快速退回工作臺(tái)。到達(dá)指定位置后，放松工件，到此，一個(gè)自動(dòng)循環(huán)加工過(guò)程結(jié)束。

1.3 組合機(jī)床液壓系統(tǒng)

各部分液壓動(dòng)作分析：

(1)夾緊：油液從油泵出來(lái)以后，首先經(jīng)過(guò)減液閥和單向閥，YV1得電，三位四通換向閥處于左位，開(kāi)始夾緊工件，當(dāng)壓力達(dá)到壓力繼電器BP2的觸發(fā)值時(shí)YV1失電換向閥處于中位，保持夾緊狀態(tài)。

(2)放松：油液經(jīng)過(guò)減壓閥和單向閥之后，YV2處于得電狀態(tài)，YV1處于失電狀態(tài)，油液從有桿腔進(jìn)入，從無(wú)桿腔返回郵箱回油。

(3)快進(jìn)：油液從油泵出來(lái)之后，首先經(jīng)過(guò)換向閥2，此時(shí)，YV3得電，YV4失電。油液繼續(xù)向管道前走，此時(shí)，由于單向閥和節(jié)流閥的開(kāi)啟液壓力遠(yuǎn)大于換向閥左位。油液從換向閥走，從進(jìn)給油缸左進(jìn)右出(有桿腔)，之后。一部分油液經(jīng)過(guò)順序閥，溢流閥回油箱。另一部分，經(jīng)過(guò)單向閥從換向閥3又再次進(jìn)入進(jìn)給油缸左腔，從而實(shí)現(xiàn)快速進(jìn)給功能。

(4)工作進(jìn)給(工進(jìn))：油液從油泵出來(lái)以后，首選通過(guò)換向閥2，此時(shí)換向閥2的狀態(tài)為YV3得電，YV4失電，處于左位，油液繼續(xù)前進(jìn)，同樣面臨3個(gè)選擇，單向閥，節(jié)流閥，換向閥，此時(shí)單向閥走不了，換向閥YV5處于得電狀態(tài)，油液過(guò)不去，故油液只能從節(jié)流閥走，后從進(jìn)給油缸無(wú)桿腔進(jìn)入，有桿腔出來(lái)后，一部分油液經(jīng)過(guò)換向閥2，順序閥，單向閥，返回郵箱，另一部分經(jīng)過(guò)單向閥再次回到進(jìn)給油缸。由于流量相對(duì)于快速進(jìn)給大大減少，達(dá)到工作進(jìn)給的要求。

(5)快速退回(快退)：油液從油泵出來(lái)后，首選經(jīng)過(guò)換向閥2，此時(shí)換向閥2處于右位，YV3失電，YV4得電。從進(jìn)給油缸右側(cè)進(jìn)入，油液再?gòu)母椎淖髠?cè)出來(lái)，經(jīng)過(guò)換向閥3，換向閥2直接返回油箱，實(shí)現(xiàn)快速退回的功能。液壓系統(tǒng)原理圖如2所示。

圖2 組合機(jī)床液壓系統(tǒng)

2 組合機(jī)床電氣控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 組合機(jī)床電氣控制要求

三面銑組合機(jī)床有液壓泵、左銑削動(dòng)力頭、右1銑削動(dòng)力頭、右2銑削動(dòng)力頭和立銑削動(dòng)力頭總計(jì)五臺(tái)電機(jī),這五臺(tái)電機(jī)采用三相交流籠型異步電動(dòng)機(jī) ,其設(shè)計(jì)要求如下所示:

(1)五臺(tái)銑削電機(jī)均為單向旋轉(zhuǎn)。

(2)機(jī)床具有單循環(huán)自動(dòng)工作，單動(dòng)力頭循環(huán)加工工作，點(diǎn)動(dòng)這3種工作方式。

(3)單動(dòng)力循序自動(dòng)工作包括：左銑頭單動(dòng)力循環(huán)自動(dòng)加工；右1銑頭單動(dòng)力循環(huán)自動(dòng)加工；右2銑頭單動(dòng)力自動(dòng)循環(huán)加工；立銑頭單動(dòng)力自動(dòng)循環(huán)這4個(gè)循序動(dòng)作。

(4)點(diǎn)動(dòng)工作方式：四臺(tái)主軸電機(jī)均能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)動(dòng)對(duì)刀，液壓滑臺(tái)快進(jìn)，快退的手動(dòng)調(diào)整。以及液壓缸的手動(dòng)夾緊和手動(dòng)放松。

(5)電源以及油泵工作等照明及指示電路。

(6)必要的聯(lián)鎖及過(guò)載保護(hù)。

2.2 PLC的選型及I/O接口的分配

三菱FX2N系列PLC指令簡(jiǎn)單易懂，性價(jià)比很高，本次控制系統(tǒng)我所選用的PLC的型號(hào)為三菱FX2N-64MT?？偣?2個(gè)輸入、32個(gè)輸出。圖3 為I/O接口電路圖,圖4 為I/O分配圖。

3 PLC程序設(shè)計(jì)

由于控制系統(tǒng)具有手動(dòng)操作和自動(dòng)加工循序操作這兩種工作方式，故程序在編寫(xiě)時(shí)，就應(yīng)該按手動(dòng)程序和自動(dòng)程序這2大模塊進(jìn)行編寫(xiě)。

手動(dòng)程序的編寫(xiě)需要滿足4臺(tái)銑削電機(jī)的點(diǎn)動(dòng)控制和液壓滑臺(tái)的夾緊、放松以及前進(jìn)、后退這幾個(gè)運(yùn)動(dòng)的控制要求。而自動(dòng)程序則包括多銑頭自動(dòng)單循環(huán)加工、左銑頭自動(dòng)單循環(huán)加工、右1銑頭單循環(huán)自動(dòng)加工、右2銑頭單循環(huán)自動(dòng)加工、立銑頭自動(dòng)循環(huán)加工這5個(gè)自動(dòng)加工程序，程序的選擇與切換均通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)，使得程序更為高效、穩(wěn)定性更強(qiáng)。圖5 為PLC梯形圖整體結(jié)構(gòu)。

整體程序結(jié)構(gòu)由公用程序、自動(dòng)程序、手動(dòng)程序、回原點(diǎn)程序這四部分組成[8-9]。公用程序如圖6所示。通過(guò)跳轉(zhuǎn)指令來(lái)實(shí)現(xiàn)各部分程序之間的切換。同時(shí)通過(guò)PLC的主控指令MC、MCR來(lái)保證各部分子程序的獨(dú)立性，利用轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)對(duì)各部分程序進(jìn)行選擇，保證了程序運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性，整體程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了，易于編寫(xiě)。

在公用程序中，通過(guò)主控指令對(duì)FR1-FR5五個(gè)電機(jī)的熱繼電器進(jìn)行過(guò)載保護(hù)，一旦有任何一臺(tái)電機(jī)過(guò)載立即切斷所有程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的過(guò)載保護(hù)功能[10]。

以左銑單動(dòng)力頭加工循環(huán)程序進(jìn)行分析，如圖7所示。

圖3 I/O接口電路圖

圖4 I/O分配圖

圖5 PLC梯形圖整體結(jié)構(gòu)

圖6 公用程序梯形圖

圖7 左銑頭單動(dòng)力加工流程圖

運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程分析：當(dāng)2個(gè)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)分別打到自動(dòng)擋、左銑循環(huán)、正確放置好工件后。按下啟動(dòng)按鈕，工件開(kāi)始夾緊，夾緊0.5s后，開(kāi)始快進(jìn)，直到遇到X12快進(jìn)轉(zhuǎn)工進(jìn)限位開(kāi)關(guān)，開(kāi)始工作進(jìn)給，同時(shí)使左銑動(dòng)力頭啟動(dòng)開(kāi)始加工左端面，左銑顯示燈亮。當(dāng)?shù)竭_(dá)終點(diǎn)時(shí)，觸發(fā)終點(diǎn)限位開(kāi)關(guān)，左銑電機(jī)停止，左銑指示燈滅。而后，滑臺(tái)開(kāi)始快退。到達(dá)原點(diǎn)后，觸發(fā)原點(diǎn)限位開(kāi)關(guān)，開(kāi)始松開(kāi)工件。一個(gè)左銑單動(dòng)力頭加工循環(huán)結(jié)束。當(dāng)正確放置好工件后，再次按下啟動(dòng)按鈕，又一個(gè)左銑加工過(guò)程開(kāi)始。其他幾個(gè)單動(dòng)力頭加工過(guò)程-右1單動(dòng)力頭循環(huán)加工、右2單動(dòng)力頭循環(huán)加工、立銑動(dòng)力頭循環(huán)加工，與該程序的編寫(xiě)類(lèi)似。

4 結(jié)論

本文介紹了三面銑組合機(jī)床的工作方式以及機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)部件，對(duì)機(jī)床液壓系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析，通過(guò)PLC構(gòu)建機(jī)-電-液一體化系統(tǒng)。在PLC程序的設(shè)計(jì)上，通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)多種工作方式的切換并可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)點(diǎn)動(dòng)對(duì)刀，使得程序變得更為高效，機(jī)床的穩(wěn)定性和使用效率得到了較大的提升。

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(編輯 李秀敏)

Research on Electric Control System of Three Face Milling Modular Machine Tool Based on PLC

CAO Zhong-liang，CAO Xiao-wen, GUO Jian-hua

(School of Mechatronics Engineering，QiQihaer University，QiQihaer Heilongjiang 161006,China)

Using the three face milling machine tool as the research object, this article will use the MITSUBISHI FX (2N) series programmable logic controller (PLC) instead of the pure relay - contactor control system on the electrical control system of the machine to carry out the new design and transformation, which was included I/O interface distribution, control system hardware design and machining process planning, and combined with the hydraulic system schematic diagram were each part of PLC program preparation to meet the requirements of the modular machine tool of high efficiency and automation processing.

modular machine tool; PLC; controlling system; hydraulic system

1001-2265(2017)02-0086-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.02.021

2016-05-23；

2016-06-27

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51175273)；黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(E2016070)；齊齊哈爾大學(xué)教育教研重點(diǎn)項(xiàng)目(2014076)

曹忠亮(1983—)，男，黑龍江齊齊哈爾人，齊齊哈爾大學(xué)講師，在讀博士，研究方向?yàn)橹悄芸刂?CAD/CAM，(E-mail)caoliang-8302@163.com。

TH166;TG65

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