吳岳敏，羅敏，雷鈞，劉凌云，馬彬

（湖北汽車工業(yè)學院電氣與信息工程學院，湖北十堰442002）

隨著自動化程度的不斷提高，生產(chǎn)效率也在不斷提高。傳統(tǒng)加工大量使用手動機床，因此需要技術(shù)熟練工人操作，廢品率較高，質(zhì)量穩(wěn)定性差，且一般工人培養(yǎng)成熟練工人成本較高。要想改變這種狀況有2種途徑：1）重新購置自動化加工設備。根據(jù)工件的加工特點購置，這類設備一般都為專用設備，購置成本高，而且普遍適用性差。2）將手動機床進行自動化改造，該方法節(jié)省成本，而且改造后的設備是針對該工件加工的，專機效率高。本次項目實施過程中，由于相同類型機床較多，設備的機械傳動部分基本正常而且磨損較小，為節(jié)省成本，選擇將機床進行自動化改造。

1 總體方案

由于后續(xù)加工需要利用圓邊定位，傳遞動力使圓筒旋轉(zhuǎn)，因此需要在圓筒端部內(nèi)側(cè)加工一個60°倒角，外側(cè)加工一個45°的倒角，且倒角邊長有一定的尺寸要求，同時要求該設備能滿足多品種圓筒的倒角。

改造前設備是采用手搖輪驅(qū)動絲桿旋轉(zhuǎn)，將刀固定在滑臺上之后，通過一個換位操作桿決定手搖輪驅(qū)動哪個軸進給，當選擋操作桿處在A位置時，控制軸向進給；當選擋操作桿處在B位置時，控制徑向進給。通過以上操作，控制十字滑臺在平面內(nèi)滑動，通過操作工人判斷是否加工到位，加工完成之后，測量是否合格。

由于設備所加工的圓筒直徑是一個個的確定值，并不是連續(xù)變化的連續(xù)值，所以本次改造中將選擋裝置去掉，使用伺服電機驅(qū)動軸向進給，通過不同的刀具以及刀頭的方位確定徑向尺寸。通過軸向和徑向進給控制刀具在二維平面內(nèi)的加工尺寸。機械系統(tǒng)加工原理圖如圖1所示。由于單個品種只需加工2個倒角面，圖1中四刀位刀架可以加工2個品種，如需加工更多品種只需要更換刀位的刀架即可。

圖1 機械系統(tǒng)圖加工原理圖

傳統(tǒng)加工必須是X-Y 二維平面，必須采用數(shù)控系統(tǒng)、2套伺服電機加驅(qū)動，設備昂貴。在項目實施過程中由于經(jīng)費有限，必須采用經(jīng)濟且能達到要求的方案?？紤]到所加工的管材端面在尺寸上全部都是一個個離散量，不需要連續(xù)，所以采用電動刀架上刀具的長短取代一個軸（X軸），即只需要控制電動刀架的旋轉(zhuǎn)，從而控制刀在該軸（X軸）方向上的長度，在進給方向（Z軸）上則通過伺服電機控制絲桿旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動滑臺的運動。單軸的控制，只需要采用帶高速脈沖輸出的PLC直接驅(qū)動伺服電機可，無需采用昂貴的數(shù)控系統(tǒng)。通過該方案，可以滿足加工要求，同時降低成本。

該系統(tǒng)中通過伺服電機帶動絲桿旋轉(zhuǎn)來驅(qū)動滑臺在工件軸向（X軸）的位置，通過設置刀具形狀、長度及位置確定徑向（Y軸）位置。圖1中虛線圓即加工時刀具的軌跡，不同刀具徑向長度不一樣。通過二者的結(jié)合，實現(xiàn)二維平面（X-Y平面）的位置控制，從而控制不同管徑工件的端面加工。

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 PLC系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)采用PLC為控制器，可以向外輸出100 kHz 脈沖，將脈沖輸送到安川伺服驅(qū)動器，驅(qū)動伺服電機旋轉(zhuǎn)。系統(tǒng)的輸入輸出采用臺達觸摸屏，組態(tài)相應界面，將工件的選擇在觸摸屏上完成，同時可以實時監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)，將系統(tǒng)運行中的各項參數(shù)顯示出來。采用電動刀架換刀，配合必要的按鈕和指示燈運行。PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)采用三菱FX3G-40MT PLC，可以輸出最大100 kHz的脈沖，具備24點I/O輸入，16點I/O輸出。觸摸屏采用臺達DOP B10S411 觸摸屏，該屏為10.4寸，采用422通信口直接和PLC通信。

2.2 電動刀架

選用LD4系列四工位電動刀架。當控制系統(tǒng)發(fā)出換刀信號之后，刀架電機正轉(zhuǎn)，減速機構(gòu)和升降機構(gòu)將上刀體升至一定位置，離合轉(zhuǎn)盤起作用，帶動上刀體旋轉(zhuǎn)到所選到位，當?shù)轿粰z測裝置檢測到刀體到位信號之后，電機停止200 ms 左右之后，電動機反轉(zhuǎn)，上刀體下降，齒牙盤嚙合，完成精確定位，并通過蝸輪蝸桿、鎖緊螺母，使刀架鎖緊[1]。該刀架可以選擇使用自動換刀和手動換刀，通過在控制面板上設置旋鈕選擇換刀方式。PLC與電動刀架的連接如圖3所示。

圖3 PLC與電動刀架的連接圖

圖3中PLC向刀架發(fā)出旋轉(zhuǎn)方向控制信號，控制刀架的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。電動刀架向PLC反饋4個刀位的位置信號，同時反饋刀具鎖緊信號。本設計所選擇的刀架為反邏輯，即當?shù)都芴幵?號到位時，1號刀位檢測信號為“0”，2、3、4號刀位檢測信號為“1”；當任意一把刀具鎖緊時，刀具鎖緊信號為“1”。電動刀架的軸向位置由設置在機床上的一個位置確認開關(guān)決定，每次開機時操作機床在軸向運行尋找該點，由于該點位置已經(jīng)確定，當開關(guān)檢測到信號時，即可確定滑臺當前的準確位置。

2.3 伺服連接

系統(tǒng)中伺服系統(tǒng)采用位置控制方式，PLC向伺服驅(qū)動器發(fā)送脈沖加方向信號控制電機旋轉(zhuǎn)速度、位移和方向。

3 軟件系統(tǒng)設計

3.1 觸摸屏組態(tài)

選用DOP-B10S411 觸摸屏，該屏用于加工計數(shù)、報警記錄、工件選擇等的輸入輸出。同時，考慮到所加工工件可能會發(fā)生變化，相關(guān)參數(shù)會發(fā)生變化，需要重新調(diào)整，觸摸屏是參數(shù)輸入的較好選擇。根據(jù)以上分析，工件選擇畫面組態(tài)見圖4。

圖4 工件選擇畫面組態(tài)圖

以1號工件為例：在新工件加工之前，需要在1號工件的參數(shù)設置中設置好工件半徑、工件長度等參數(shù)，然后在自動方式下選擇1號工件，PLC系統(tǒng)按照加工1號工件的參數(shù)加工工件，同時在1號工件顯示框中，顯示1號工件加工的數(shù)量。如需清除計數(shù)數(shù)字，則在參數(shù)設置中復位。此時參數(shù)設置窗口設密碼保護，需核對密碼才能更改其中的參數(shù)。

3.2 電動刀架程序設計

電動刀架的換刀主要是控制刀架電機的正反轉(zhuǎn)，反饋信號為刀位信號和刀具鎖緊信號。換刀過程包括以下動作：1）有換刀指令時，刀架電機正轉(zhuǎn)；2）檢測到目標刀位信號，刀架電機停止正轉(zhuǎn)；3）適當延時；4）電機反轉(zhuǎn)；5）檢測到鎖緊信號，停止反轉(zhuǎn)。以選擇2號刀為例來說明電動刀架的換刀程序流程，如圖5所示。

圖5 電動刀架的程序設計流程圖

3.3 PLC系統(tǒng)程序設計

本設計是基于三菱PLC，在程序運行之前，需要在觸摸屏上設置工件參數(shù)，包括滑臺在當前位置向工件方向的位移、確定加工內(nèi)角時所使用的刀號、加工時的位移、加工外倒角所使用的刀號和加工時滑臺需要行進的位移。參數(shù)設置好之后，在自動方式下，PLC調(diào)用參數(shù)控制系統(tǒng)運行，完成加工后自動回到原點。

系統(tǒng)運行過程中，位移參數(shù)是保證加工質(zhì)量的關(guān)鍵。每次開機時需要確定滑臺的位置，在適當位置安裝零點位置開關(guān)，操作機床在軸向運行尋找該點。由于該點位置已經(jīng)確定，當開關(guān)檢測到信號時，讀入位置信息即可確定滑臺當前的準確位置。

伺服電機采用位置控制方式，位移主要是通過PLC向伺服驅(qū)動器發(fā)送脈沖和方向等信號，通過計算傳動比，將滑臺在工件軸向的滑動距離轉(zhuǎn)換成伺服電機的旋轉(zhuǎn)角度，通過控制PLC發(fā)送脈沖頻率和脈沖數(shù)，控制伺服電機運行的速度和轉(zhuǎn)動角度。FX3G系列PLC通過PLSY 指令控制高速脈沖的輸出,其格式為[PLSY K50000 K1000 Y0]。該指令有2個操作數(shù)，K50000 代表從PLCY0 口輸出的脈沖頻率為50000Hz，K1000表示從Y0 口輸出的脈沖數(shù)量為1000個[2-3]。通過以上2個參數(shù)可以設置電機的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)角度，即控制滑臺的滑動速度和位移量。以2號刀和3號刀為例編制程序流程圖，如圖6所示。

每種工件的加工需要2 把刀，將刀具安裝調(diào)整好之后，通過電動刀架換刀可實現(xiàn)不同工序的加工。若后期需要增加更多不同工件的加工，只需要更換電動刀架，安裝更多的刀即可[4]；軟件上只需要重新編制換刀加工程序即可。

圖6 PLC軟件的控制流程圖

4 結(jié)論

利用PLC控制技術(shù)，結(jié)合觸摸屏、電動刀架和伺服電機，將傳統(tǒng)的手動端面倒角機床改造成自動控制機床。操作者只需要選擇工件，系統(tǒng)即可自動調(diào)取相關(guān)參數(shù)控制系統(tǒng)自動運行。該機床的改造提高了機床加工的質(zhì)量穩(wěn)定性，降低了加工的人力成本，也提高了生產(chǎn)效率。

[1]羅敏.FANUC 數(shù)控系統(tǒng)PMC 編程技術(shù)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2013：182-188.

[2]李金城.三菱FX2NPLC功能指令應用詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[3]?？赡?可編程序控制器原理、應用及通信基礎[M].北京∶機械工業(yè)出版社，1997.

[4]高樹禮.車端面倒角全自動車床[J].機床，1974（3）：39-42.