基于PLC技術(shù)的螺栓自動(dòng)化加工設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬海波

（江蘇省南通中等專業(yè)學(xué)校，江蘇南通，226011）

0 引言

目前我國(guó)機(jī)械加工全自動(dòng)化控制技術(shù)方面的研發(fā)與應(yīng)用仍不成熟，特別是一些中小企業(yè)中，大多數(shù)仍然采用傳統(tǒng)電氣控制機(jī)械加工模式。鑒于這一情況，有必要應(yīng)用PLC技術(shù)、傳感器技術(shù)以及電氣控制技術(shù)，設(shè)計(jì)一款自動(dòng)化控制系統(tǒng)構(gòu)建成本較低、操作難度較低、易于推廣的PLC機(jī)械加工自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

1 鉆床控制系統(tǒng)主要構(gòu)成

1.1 電氣控制

在鉆床所有機(jī)械裝置中，電氣控制流程的實(shí)現(xiàn)需要有序合理安裝檢測(cè)部分、控制部分以及執(zhí)行部分，圖1為電氣控制的基本流程。

圖1 電氣控制工作流程

按照電氣控制系統(tǒng)的工作流程，針對(duì)機(jī)械構(gòu)造中電氣的元件安裝的位置進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體步驟如下：首先，將一個(gè)搜板設(shè)備安裝在連接于氣缸的傳動(dòng)槽和振動(dòng)料斗的出料口位置，該搜板通過(guò)電磁鐵進(jìn)行控制；然后，將檢測(cè)傳感設(shè)備安裝在氣缸的復(fù)位位置，利用所檢測(cè)信號(hào)對(duì)氣缸的推塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，推動(dòng)推塊進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，氣缸在換向閥門的作用下完成上下轉(zhuǎn)向；在不同的位置設(shè)置SQ開關(guān)，來(lái)控制氣缸推塊運(yùn)行的工進(jìn)和速度；其次，為了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向、對(duì)夾具氣缸進(jìn)行定位的夾子松緊程度以及鉆床加工等工作進(jìn)行控制，將不同傳感設(shè)備及開關(guān)設(shè)置在輸送軌道的不同位置。在鉆床位置加工通化螺栓，將加緊設(shè)備以及夾具氣缸設(shè)置在該位置。

1.2 信息采集

在對(duì)鉆床進(jìn)行自動(dòng)控制時(shí)，檢測(cè)傳感設(shè)備、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向以及自動(dòng)控制PLC等需要傳輸轉(zhuǎn)換各種信號(hào)，對(duì)執(zhí)行構(gòu)件動(dòng)作進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)電氣控制的til模擬信號(hào)。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)構(gòu)件、主令開關(guān)、傳感設(shè)備、限位開關(guān)、按鍵的關(guān)啟等輸入信號(hào)的采集，利用電磁閥、驅(qū)動(dòng)繼電設(shè)備、指示燈等構(gòu)件所傳輸?shù)男盘?hào)，對(duì)執(zhí)行元件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。A/D轉(zhuǎn)換中，每經(jīng)過(guò)一個(gè)△t的時(shí)間間隔，進(jìn)行一次模擬量瞬時(shí)值的采集，在電路中將所多采集的瞬時(shí)值在△t間隔內(nèi)予以保持，并數(shù)值化信號(hào)，進(jìn)行設(shè)定數(shù)位電平信號(hào)轉(zhuǎn)換。

1.3 控制執(zhí)行設(shè)備的方法

（1）執(zhí)行設(shè)備的電動(dòng)控制

在自動(dòng)控制鉆床中，其執(zhí)行設(shè)備包括電磁驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行設(shè)備兩部分。其中，電磁驅(qū)動(dòng)設(shè)備，振動(dòng)盤的控制原理是在支撐彈簧振動(dòng)以及電磁鐵的吸力作用下，螺栓構(gòu)件沿螺栓槽由頂盤的底部向上運(yùn)行；將一塊擋板設(shè)置在氣缸滑動(dòng)軌道和振動(dòng)料斗的出料位置，該擋板由電磁鐵進(jìn)行控制，各個(gè)螺栓升降下滑程序由擋板控制；將電磁鐵的離合設(shè)備安裝在電機(jī)的主軸上，利用電磁鐵的驅(qū)動(dòng)設(shè)備確定電機(jī)停止的位置。另外還有電機(jī)執(zhí)行設(shè)備。將電機(jī)安裝于滾珠絲枉最右端，在電機(jī)作用下左右移動(dòng)軌道滑塊，并確定停止位置。鉆床的內(nèi)部也設(shè)有電機(jī)執(zhí)行設(shè)備。

（2）執(zhí)行設(shè)備的氣壓控制

該系統(tǒng)中，通過(guò)氣壓進(jìn)行動(dòng)作控制的兩處，一個(gè)是絲杠軌道和振動(dòng)盤滑道相互連接的位置，氣缸執(zhí)行設(shè)備安裝在該處，利用電磁閥門對(duì)推塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。一個(gè)是鉆床加工的位置，當(dāng)攜帶螺栓運(yùn)行的滑塊運(yùn)行到該位置時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)自動(dòng)停止，在氣缸夾具設(shè)備定位夾緊的作用下，降低電磁控制閥門，夾緊螺栓，由鉆床對(duì)螺桿進(jìn)行打孔。

2 電氣控制設(shè)計(jì)步驟

2.1 自動(dòng)控制檢測(cè)傳感器的選型

螺栓加工鉆床自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要依賴于傳感器檢測(cè)信號(hào)，因此傳感器的選型直接關(guān)系到自動(dòng)化控制系統(tǒng)的實(shí)效性。

鉆床加工過(guò)程中螺栓需要移動(dòng)，因此在邊緣位置的傳感器需要選用非接觸式監(jiān)測(cè)功能的傳感器，而常見(jiàn)的非接觸式傳感器有電渦流傳感器、磁電傳感器、超聲波傳感器、光電傳感器等。其中光電傳感器具有相應(yīng)快、監(jiān)測(cè)結(jié)果精確、監(jiān)測(cè)范圍大等優(yōu)勢(shì)，因此建議選擇采用光電傳感器用來(lái)檢測(cè)螺栓工件是否被正常定位，由于螺栓工件屬于冷金屬加工，建議采用透光型的光電斷路傳感器最為合適。

透光型光電傳感器主要監(jiān)測(cè)裝置為光敏元件，考慮到螺栓工件邊緣遮光變化的特點(diǎn)，此采用光敏二極管、晶體管等光敏元件均不合適，因此建議采用光電池來(lái)測(cè)量螺栓工件的遮光變化，監(jiān)測(cè)結(jié)果更加精準(zhǔn)。另外需要設(shè)置一個(gè)穩(wěn)定光源，建議采用紅色發(fā)光二極管作為光源。

2.2 行程開關(guān)

螺栓鉆床加工系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)有大量的行程開關(guān)，這些開關(guān)用于控制啟動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及制動(dòng)裝置，同樣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的最終的執(zhí)行部分同樣需要依賴于行程開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆床設(shè)備的控制。因此處于自動(dòng)化控制系統(tǒng)魯棒性的考慮，建議選擇霍爾接近開關(guān)，該系列型號(hào)進(jìn)程開關(guān)具備性能好、靈敏度高、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

2.3 氣壓控制元件選型

氣壓控制元件包括氣缸控制閥以及其他氣動(dòng)控制元件：氣缸控制閥主要用于控制氣缸推桿在任意位置啟動(dòng)或停止，一次你本文建議采用三位控制閥，考慮到需要檢測(cè)氣缸活塞運(yùn)動(dòng)行程，在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中為了保證檢測(cè)結(jié)果的精確度，建議選用三位五通中封電控先導(dǎo)式電磁換向閥。另外配合氣缸控制閥實(shí)現(xiàn)對(duì)氣缸的平穩(wěn)控制，同樣需要空氣過(guò)濾器、減壓閥等配套元器件，這些配套元器件同樣需要安裝對(duì)應(yīng)的控制元件，為了保證氣缸推桿運(yùn)動(dòng)速度自動(dòng)化調(diào)節(jié)功能的實(shí)現(xiàn)，建議對(duì)這些配套的氣動(dòng)控制元件采用單向節(jié)流閥控制。

2.4 PLC軟件的選型

對(duì)于臺(tái)式鉆床機(jī)械加工工程的自動(dòng)化控制軟件通常采用PLC作為主控程序，而PLC軟件可以細(xì)分為系統(tǒng)軟件與應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件主要指用戶在使用可編程編程器前，就裝入機(jī)內(nèi)的一部分基礎(chǔ)程序軟件。應(yīng)用軟件就是為自動(dòng)控制人員提供編程控制的人機(jī)交互軟件程序。目前機(jī)械加工自動(dòng)化控制的PLC編程語(yǔ)言與編程器種類眾多，根據(jù)臺(tái)式鉆床工藝特點(diǎn)以及本人的工作經(jīng)驗(yàn)，最后建議U型安永三菱公司的FX系列PLC應(yīng)用軟件，其中FX2N型號(hào)的PLC的沒(méi)一個(gè)單元都可以通過(guò)I/O擴(kuò)展單元為256I/O，能夠滿足鉆床較為復(fù)雜的自動(dòng)化控制任務(wù)要求。具體FX2N型號(hào)PLC的基本單元如表1所示：

表1 FX2N系列PLC的基本單元

3 電氣控制系統(tǒng)總體工作流程

3.1 電氣控制原理

該鉆床自動(dòng)控制原理：在振動(dòng)盤中放入螺栓，通過(guò)電磁振動(dòng)，螺栓自動(dòng)排列成對(duì)，通過(guò)振動(dòng)料斗的出料口落入氣缸堆塊。這時(shí)候螺栓將光電斷路設(shè)備切斷，并升高光電斷路設(shè)備前面由電磁控制的擋板，將由振動(dòng)料斗的出料口處輸送螺栓的出路阻斷，通過(guò)控制閥作用升高氣缸。利用高壓氣體推動(dòng)氣缸活塞，把螺栓輸送到軌道的滑塊位置，對(duì)右側(cè)的行程開關(guān)進(jìn)行按壓。這時(shí)候，一定時(shí)間內(nèi)氣曲保持不動(dòng)。啟動(dòng)斤程開關(guān)，連接于絲杠的電機(jī)出現(xiàn)正方向轉(zhuǎn)動(dòng)，在其帶動(dòng)下，絲枉軌道中螺栓快速向右邊移動(dòng)；絲杠軌道中螺栓經(jīng)過(guò)行程開關(guān)，電機(jī)正方向轉(zhuǎn)動(dòng)的能耗降低速度，產(chǎn)生制動(dòng)，軌道滑塊和螺栓利用鉆床的加工平臺(tái)上的傳感設(shè)備檢測(cè)對(duì)電機(jī)主軸抱闡設(shè)備的動(dòng)作快速停止進(jìn)行控制。此時(shí)，該位置夾具氣缸啟動(dòng)，氣缸在電磁閥門的控制下，降低工作臺(tái)定位夾緊設(shè)備，定位螺栓加緊，打孔時(shí)間延長(zhǎng)。將夾緊裝置下降，按壓限位開關(guān)，開啟鉆床，在螺桿上打孔，完成鉆床打孔，利用氣缸的高壓氣體將夾緊設(shè)備推動(dòng)升高，螺栓松開。再次啟動(dòng)電機(jī)正方向轉(zhuǎn)動(dòng)，在其作用下螺栓等設(shè)備向右側(cè)發(fā)生位移。移動(dòng)過(guò)程中螺栓在出料口位置下落，按壓限位開關(guān)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)停止然后反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，向左移動(dòng)延時(shí)一定時(shí)間后停止轉(zhuǎn)動(dòng)。這時(shí)候，下落光電斷路設(shè)備前面的擋板。通過(guò)這樣的循環(huán)運(yùn)動(dòng)，有序加工元件。

3.2 PLC編程概述

鉆床控制的組成部分包括電磁拉制設(shè)備、檢測(cè)開關(guān)、電磁閥門控制設(shè)備、絲枉傳動(dòng)設(shè)備、H相異步電機(jī)、放松夾緊設(shè)備、加工設(shè)備等。其具體控制要求為：

第一，在振動(dòng)盎設(shè)備的SB1按鍵按下以后，在電磁振動(dòng)的作用下，振動(dòng)盤內(nèi)大量的螺栓自動(dòng)按照一定的順序進(jìn)行排列，通過(guò)給料槽落到A推桿的定位平臺(tái)中，1＃傳感設(shè)備檢測(cè)出光源斷開，此時(shí)一個(gè)信號(hào)生成，通過(guò)電磁閥作用，該處A氣缸推桿開始升高，同時(shí)升高前面的電磁擋板。鉆床的控制有光電檢測(cè)開關(guān)、電磁鐵拉制裝置、氣缸一電磁閥控制裝置、H相異步電動(dòng)機(jī)及絲枉傳動(dòng)裝置、氣缸定位加緊放松裝置、鉆床加工裝置等組成。

第二，A氣缸推桿設(shè)備升高時(shí)，推桿快速升高，SQ2開關(guān)變成推桿工進(jìn)上高，SQ3上限行程的開關(guān)被壓動(dòng)，停止推桿上升，同時(shí)延時(shí)開始，通電2s復(fù)位。這時(shí)候，螺栓被推桿推到了A氣缸的正上方的a設(shè)備中，絲杠同a設(shè)備相連，右端異步電機(jī)同絲杠相連。

第三，壓動(dòng)上限行程開關(guān)SQ3后，啟動(dòng)右端的H相異步電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，定型裝置a在絲杠上由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺栓在傳送槽內(nèi)右移；右移過(guò)程中壓動(dòng)行程開關(guān)SQ4，此時(shí)電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)，接直流電源，正轉(zhuǎn)減速至零，經(jīng)過(guò)2＃傳感器（光電檢測(cè)開關(guān)）時(shí)，檢測(cè)到一個(gè)信號(hào)給電磁離合器，通過(guò)電動(dòng)機(jī)主軸上的電磁離合器自動(dòng)抱間裝置使電動(dòng)機(jī)立刻停止，定型裝置a恰好停在鉆床加工平臺(tái)上。

第四，加工平臺(tái)處2＃傳感器（光電檢測(cè)開關(guān)）檢測(cè)到光源彼阻斷，此處汽缸B的推桿開始快進(jìn)下降；汽缸B推巧裝置在下降過(guò)程中，開始推桿快進(jìn)下降，壓動(dòng)中間行程開關(guān)SQ6改為推桿工進(jìn)下降，最后下降中壓動(dòng)下限巧程開關(guān)SQ7，推桿下降停止并延時(shí)5分鐘（注；螺栓己被氣動(dòng)裝置定位夾緊）。

第五，延時(shí)5分鐘中鉆床接通信號(hào)，開始給螺栓桿部鉆孔，鉆頭復(fù)位；延時(shí)結(jié)束后，氣缸：夾緊裝置自動(dòng)松開上升。

第六此后冉次自動(dòng)啟動(dòng)右端H相異步電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)定型裝置a右移，右移中當(dāng)壓動(dòng)斤程開關(guān)SQ8時(shí)，電動(dòng)機(jī)制動(dòng)減速停止，同時(shí)傳送槽中的螺栓通過(guò)漏槽落入螺栓放置箱內(nèi)。

第七電動(dòng)機(jī)在停止過(guò)程中又皮動(dòng)行程開關(guān)SQ9，電動(dòng)機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)換成反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)定型裝置a左移，延好幾分鐘，停至氣缸A上方；停止同時(shí)電磁鐵控制擋板下降，另一螺栓開始重復(fù)上一個(gè)螺栓的動(dòng)作。

4 結(jié)論

本文根據(jù)螺栓加工的鉆床自動(dòng)化控制加工工藝的技術(shù)要求，在已有機(jī)械設(shè)備電氣控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，從節(jié)省人力資源成本以及高效加工的優(yōu)化視角出發(fā)，從傳感器裝置的選型安裝到PLC主控程序的選型與編程方面提出了PLC自動(dòng)化控制技術(shù)與傳統(tǒng)機(jī)床電氣控制系統(tǒng)融合的鉆床自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，希望對(duì)中小企業(yè)臺(tái)式鉆床產(chǎn)線自動(dòng)化技術(shù)改造有所幫助。