基于PLC的臺(tái)式鉆床自動(dòng)化控制系統(tǒng)探討

摘要：為了滿足機(jī)床加工的需要和提高工藝效率，本文對(duì)傳統(tǒng)的臺(tái)式鉆床加工方法進(jìn)行了改進(jìn)，并設(shè)計(jì)了一個(gè)基于自動(dòng)控制的臺(tái)式鉆床系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)基于PLC的臺(tái)式鉆床的自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，以PLC驅(qū)動(dòng)設(shè)備作為主控器，以電磁閥控制器、伺服電機(jī)、液壓缸為主控制系統(tǒng)設(shè)備，最終成功地將整個(gè)控制系統(tǒng)與控制系統(tǒng)回路連接起來，并進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，自動(dòng)臺(tái)式鉆床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)良好，而且滿足實(shí)際處理要求。

關(guān)鍵詞：PLC;臺(tái)式鉆床;自動(dòng)化控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TH137???文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??文章編號(hào)：1672-3791（2019）11（c）-0000-00

隨著我國自動(dòng)化應(yīng)用逐漸廣泛，實(shí)現(xiàn)了制造業(yè)技術(shù)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，由傳統(tǒng)的人工技術(shù)逐漸向智能制造發(fā)展。在智能制造不斷發(fā)展過程中，對(duì)于機(jī)械加工精度的要求不斷增加。在實(shí)際臺(tái)式鉆床的加工中，智能制造提高了整體加工精度。因此，自動(dòng)化系統(tǒng)的升級(jí)對(duì)機(jī)床和鉆床的加工精度十分重要。目前，在傳統(tǒng)的制造業(yè)中，傳統(tǒng)的鉆床加工不完善，加工速度較慢，導(dǎo)致在加工大量的產(chǎn)品的過程中工作效率低。其次，工人的加工條件較差，直接影響到零部件加工工作效率。因此，研究自動(dòng)化系統(tǒng)是當(dāng)前臺(tái)式鉆床發(fā)展的主要任務(wù)。

1.臺(tái)式鉆孔的構(gòu)成

本文設(shè)計(jì)的臺(tái)式鉆床自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要以傳統(tǒng)的臺(tái)式鉆床程序?yàn)榛A(chǔ)，機(jī)床與主軸之間的任務(wù)是通過皮帶連接的，而鉆床主要通過液壓缸向垂直軸進(jìn)行傳動(dòng)。自動(dòng)化控制系統(tǒng)包括：系統(tǒng)控制器使用一個(gè)能夠準(zhǔn)確控制位置和輸入速度的伺服電機(jī)以及主要基于控制過程中的PID算法的閉路控制。本文通過設(shè)計(jì)臺(tái)式鉆床模型，簡(jiǎn)單對(duì)齊系統(tǒng)中的活塞、液壓缸、皮帶輪、伺服電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)[1]。

2.臺(tái)式鉆床自動(dòng)化控制系統(tǒng)控制要求

在加工過程中，首先應(yīng)當(dāng)將所需加工的工件放入臺(tái)式鉆床中，固定工件后調(diào)整臺(tái)式鉆床中的方向輪。當(dāng)工件處于垂直鉆床下時(shí)（即向上、向上、向上和向上），激活M開關(guān)，使主軸開始旋轉(zhuǎn)，然后按液壓泵開關(guān)，激活液壓泵，最后是電源開關(guān)，這樣鉆床就可以開始處理部件。

2.1.工作臺(tái)X、Y的橫向移動(dòng)：X工作臺(tái)的移動(dòng)通過導(dǎo)滾珠絲的傳動(dòng)和方向進(jìn)行移動(dòng)，這兩種方式都受方向輪的控制。

2.2變頻調(diào)速：在控制過程中，使用變壓器進(jìn)行速度控制，以便能夠控制鉆床的移出。

2.3在工件加工過程中，加工方式是通過啟動(dòng)控制按鈕，根據(jù)既定加工控制程序進(jìn)行加工，直到按下停止按鈕或繼續(xù)進(jìn)行。

2.4當(dāng)按下鉆床起始按鈕時(shí)，鉆床主軸的加速度、輸入、移出等必須有一個(gè)行程開關(guān)，每個(gè)動(dòng)作必須相互租用。

2.5在工件加工過程中，需要保證臺(tái)式鉆床中的液壓缸保持密封狀態(tài)，同時(shí)活塞運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。

3.鉆床液態(tài)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

3.1鉆床液態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

鉆床液態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成主要有五個(gè)構(gòu)建，這五個(gè)構(gòu)件分別為液壓裝置、介質(zhì)、性能元件、控制元件和輔助元件[2]。

3.2剛直徑計(jì)算

根據(jù)實(shí)際加工過程中P1=4兆帕的負(fù)荷大小，在主軸施工過程中，在回流自動(dòng)化控制系統(tǒng)中增加了一個(gè)電壓閥，壓力值P1=0.9兆帕，活塞棒直徑為D=100。用于防止工件完成后的進(jìn)一步進(jìn)展。

4.基于PLC的臺(tái)式鉆床自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

可編程控制器（Programbele?Controller）一種常見的控制器。自1960年代美國采用可編程邏輯控制器（Programbele?Logic?Controller，PLC）取代PLC以來，PLC迅速發(fā)展和演變，傳統(tǒng)的繼電器控制已經(jīng)逐步淘汰。在全世界廣泛使用的PLC程序是以梯度圖的形式設(shè)計(jì)的，這表明了可編程控制器（Programbele?Controller）不同于PLC中的個(gè)人計(jì)算機(jī)。PLC可編程邏輯控制器計(jì)算邏輯的速度較快，在微積分范圍內(nèi)采用了1?K軟件解決辦法，其將所有輸入均作為開關(guān)量處理，模擬量通常為16位，少數(shù)是32位，另外一個(gè)CPU可幫助大型PLC來實(shí)現(xiàn)所有模擬量計(jì)算，并將最終結(jié)果上傳至PLC控制器中。

4.1.硬件設(shè)計(jì)

與繼電器控制系統(tǒng)一樣，PLC控制系統(tǒng)由輸入、邏輯和輸出組成，一般而言，PLC分為兩種，一種是箱體式，另一種是模塊式，但其組成是一樣的，每個(gè)箱體式PLC都有一個(gè)CPU板塊、I/O板塊、顯示板、存儲(chǔ)器、電源等，而且根據(jù)CPU性能差異可劃分為不同型號(hào)，另外按照I/O點(diǎn)數(shù)不同又劃分為不同規(guī)格。模塊由CPU、I/O、存儲(chǔ)器模塊、電力模塊、基礎(chǔ)模塊等組成。PLC的任何一種結(jié)構(gòu)都屬于開放的總線結(jié)構(gòu)，其I/O容量可以根據(jù)用戶的需要加以擴(kuò)大與組合。PLC的核心是CPU，其功能類似于PLC系統(tǒng)不可或缺的神經(jīng)中樞功能，根據(jù)PLC程序相關(guān)功能接收和儲(chǔ)存用戶的程序數(shù)據(jù)，收集和儲(chǔ)存轉(zhuǎn)接參數(shù)的數(shù)據(jù)。在操作過程中，用戶程序控制器只讀一次指令，并在完成操作后，將指令保存在日志中，從而使電力和內(nèi)部線路正常運(yùn)轉(zhuǎn)。這一分析產(chǎn)生了符合指令所規(guī)定任務(wù)的相應(yīng)的控制信號(hào)，從而使自動(dòng)化控制系統(tǒng)能夠運(yùn)行[4]。???4.2輸入輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)的估算

根據(jù)本氣動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)和預(yù)定的動(dòng)作可知，有六個(gè)路線轉(zhuǎn)換信號(hào)輸入，出實(shí)際點(diǎn)數(shù)應(yīng)等于或大于規(guī)定的輸入點(diǎn)數(shù)。因此，在實(shí)際估算過程中，應(yīng)當(dāng)留出10%-20%的估算量。

4.3計(jì)算存儲(chǔ)器容量

在存儲(chǔ)器容量估算過程中，需要對(duì)存儲(chǔ)單元的大小進(jìn)行計(jì)算，而編程容量則是用戶應(yīng)用程序項(xiàng)目中使用存儲(chǔ)單元的大小。在設(shè)計(jì)階段，由于執(zhí)行工作還沒有準(zhǔn)備好，因此在啟動(dòng)后對(duì)于方案應(yīng)用情況作出估計(jì)，所作的選擇通常被儲(chǔ)存容量估計(jì)數(shù)所取代。

4.4PLC分裂

基于物理結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對(duì)PLC進(jìn)行分類，分別為整體式、模塊式、疊裝式。通常，大多數(shù)PLC之間通信頻率較低，而且每一點(diǎn)I/O點(diǎn)或一個(gè)小型綜合臺(tái)式鉆床系統(tǒng)的平均價(jià)格低于一個(gè)模塊的價(jià)格。因此，通過設(shè)計(jì)帶有下述部件的臺(tái)式鉆床控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)控制器進(jìn)行編程

4.5輸出輸入模塊的選取

選擇DC24?V的輸入模塊，同時(shí)考慮到應(yīng)用程序的要求，如信號(hào)水平、傳輸距離、信號(hào)分離和供應(yīng)方式等。一般來說，繼電器輸出模塊的特點(diǎn)是價(jià)格低廉，電壓范圍廣泛，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。

4.6電源的選擇

PLC電源的設(shè)計(jì)以220瓦茨電源為基礎(chǔ)，同時(shí)需要考慮到電力與國家電網(wǎng)的兼容性。綜上所述，我們選擇三菱公司生產(chǎn)的系列的型的PLC控制器。

5.控制原理分析

該方案遵循STL指令的設(shè)計(jì)方法。STL指令是專門為FX2N?PLC系列設(shè)計(jì)的一種漸進(jìn)梯度形式的指令，目的是建立一個(gè)順序控制程序。STL指令的操作要素是S0-S499（初始步驟的S0-S9）狀態(tài)寄存器。如果符合轉(zhuǎn)換條件，代表下一步的狀態(tài)寄存器即予儲(chǔ)存，并代表自動(dòng)替換其他記錄。按照目前的順序，設(shè)計(jì)氣缸的不同順序。此外，根據(jù)現(xiàn)有的自動(dòng)化控制程序，對(duì)現(xiàn)有的序列功能控制進(jìn)行功能設(shè)計(jì)，并按照平臺(tái)的移動(dòng)順序完成每個(gè)步驟的任務(wù)。

5.1伺服電機(jī)PID控制

主軸的速度由M1伺服電機(jī)控制，主軸的速度穩(wěn)定性對(duì)電子伺服電機(jī)的控制非常重要。

5.2PLC編程

在編制PLC方案時(shí)，通常有兩種方案編制結(jié)構(gòu)，即線性模塊結(jié)構(gòu)，線性設(shè)計(jì)是在主要方案中根據(jù)流程要求在項(xiàng)目中加以控制。這一結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，適用于為業(yè)務(wù)流程制定更小的控制程序。模塊程序的設(shè)計(jì)能夠?qū)⒁粋€(gè)復(fù)雜的控制項(xiàng)目分成幾個(gè)更簡(jiǎn)單、更小的控制任務(wù)，視項(xiàng)目的特點(diǎn)而定?？蓪⑦@些控制任務(wù)分配給一個(gè)子集，以制定具體任務(wù)的控制方案。整個(gè)控制過程通過主要控制設(shè)計(jì)來管理，分批處理也比較容易，適用于最大控制程序的設(shè)計(jì)。在觸覺屏控制下，通過單環(huán)自動(dòng)循環(huán)選擇，按下觸覺屏的軟盤開關(guān)并向觸覺屏的輔助繼電器發(fā)出指示，并控制輸出線圈的相應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)。

5.3樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

在工業(yè)配置中，使用全球大氣環(huán)流模型的觸覺屏幕TPC1162HI作為這項(xiàng)測(cè)試的監(jiān)測(cè)設(shè)備，并通過檢測(cè)高級(jí)機(jī)床的運(yùn)行情況，最終檢查在不同的PID參數(shù)上的機(jī)床操作的穩(wěn)定性以及實(shí)現(xiàn)這種穩(wěn)定性所需的時(shí)間。

6.結(jié)語

自動(dòng)化在我國應(yīng)用逐漸廣泛。將自動(dòng)化與制造控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了智能制造的不斷發(fā)展。在智能制造不斷發(fā)展過程中，對(duì)于機(jī)械加工精度的要求不斷增加。在實(shí)際臺(tái)式鉆床的加工中，智能制造提高了整體加工精度。目前，傳統(tǒng)的鉆床加工在機(jī)械加工過程中仍存在問題，例如加工速度較慢等，導(dǎo)致在加工大量的產(chǎn)品的過程中工作效率低。因此，提高臺(tái)式鉆床的綜合加工效率是當(dāng)前機(jī)械制造業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。本文以傳統(tǒng)臺(tái)式鉆床為基礎(chǔ)，通過設(shè)計(jì)和改進(jìn)鉆機(jī)控制系統(tǒng)，介紹了臺(tái)式鉆床自動(dòng)化控制技術(shù)的應(yīng)用情況。本系統(tǒng)的物理組成部分主要是PLC，本系統(tǒng)的軟件以模塊設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，其中包括處理模塊等要素。提高臺(tái)式鉆床自動(dòng)化控制效率。本文首先對(duì)臺(tái)式鉆床進(jìn)行整體描述，其次探討如何對(duì)臺(tái)式鉆床進(jìn)行自動(dòng)化控制，利用PLC可控制編程器對(duì)臺(tái)式鉆床自動(dòng)化控控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，探討基于PCL自動(dòng)化臺(tái)式鉆床如何進(jìn)行控制，有助于提高臺(tái)式鉆床的自動(dòng)化運(yùn)行效率。

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作者簡(jiǎn)介：楊柳（1970-），男，江西省吉安市人，井岡山大學(xué)，助教，研究方向：機(jī)械電子一體化、機(jī)械制造設(shè)計(jì)及自動(dòng)化。