張小杭

(金華職業(yè)技術(shù)學院　信息工程學院,　浙江　金華321017)

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水晶燈罩鉆孔機電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

張小杭

(金華職業(yè)技術(shù)學院信息工程學院,浙江金華321017)

摘要：給出了基于三菱PLC的全自動水晶燈罩鉆孔機電氣控制系統(tǒng)設(shè)計方案，包括電氣器件選型、PLC接口配置、PLC程序設(shè)計以及人機界面設(shè)計等.該自動鉆孔機能同時對3只水晶燈罩進行鉆孔，完成工件“送入工位—夾緊—自動鉆孔—放松—退出工位”的加工過程.具有觸摸屏人機界面，并能選擇手動、單周期以及全自動等工作模式.

關(guān)鍵詞：PLC；HMI；自動鉆孔；步進電機控制

在金華地區(qū)特別是浦江縣分布著大量水晶燈具生產(chǎn)企業(yè)，由于水晶制品具有硬度高、器形復雜以及容易破碎的特點，以往在水晶燈罩鉆孔這道工序上都由有經(jīng)驗的工人負責手工完成，目前國內(nèi)專門用于水晶鉆孔的機械都是手工操作的臺鉆形式(如圖1所示)，需要大量人工操作，勞動效率偏低，且鉆孔品質(zhì)很難保證.同時，長期在這個崗位工作的工人很容易得一種叫做矽肺(由粉塵污染引起)的職業(yè)病.2014年后企業(yè)雇工越來越困難，人工成本增加明顯，水晶燈罩鉆孔工序人員短缺的情況更加突出.在此背景下，金華職業(yè)技術(shù)學院與浙江雙金機械制造有限公司合作共同開發(fā)了自動水晶燈罩鉆孔機，本文僅討論其電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計.

圖1　臺鉆式手工水晶鉆孔機

1系統(tǒng)設(shè)計目的與設(shè)計思路

1.1　系統(tǒng)設(shè)計目的

本項目的設(shè)計目的是開發(fā)出能同時加工3只水晶燈罩，完成工件從“送入工位—夾緊—自動鉆孔—放松—退出工位”的完整過程，且鉆孔速度快、工件破損率低的全自動鉆孔機電控系統(tǒng).

為了降低工件的破損率，水晶燈罩鉆孔機設(shè)計上采用上、下雙鉆頭鉆孔，上下鉆頭通過機械裝置保證同心，在鉆孔時，鉆頭先快速進給到鉆孔位置，然后開始旋轉(zhuǎn)，之后采用工作平臺下降和上升的方法完成鉆孔.具體鉆孔工藝流程為：工件推入—工件夾緊—工作平臺下降對工件底部鉆印痕—工作平臺上升鉆出通孔—工作平臺返回初始位置—工件放松—工件退出.為實現(xiàn)以上設(shè)計目的，電氣控制系統(tǒng)應(yīng)包括上下鉆頭主軸控制、上下鉆頭快速進給控制、工作平臺升降控制、工作平臺旋轉(zhuǎn)控制、工件夾緊控制、冷卻泵控制等環(huán)節(jié).

1.2　系統(tǒng)設(shè)計思路

具體設(shè)計思路為：

(1)工作平臺升降采用步進電機控制，信號由PLC高速脈沖輸出；

(2)工件進給和退出采用步進電機控制工作平臺旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)，由PLC高速脈沖輸出信號；

(3)工件夾緊、工作平臺定位以及上下鉆頭快速進給由氣缸控制；

(4)上下鉆頭主軸旋轉(zhuǎn)由交流異步電機控制；

(5)鉆孔時添加冷卻液由繼電器控制冷卻泵實現(xiàn)；

自動水晶鉆孔機電氣控制方案如圖2所示，該電氣系統(tǒng)采用三菱PLC作為控制器，觸摸屏作為人機界面，利用專用的步進電機控制器控制兩臺步進電機，以電感式接近開關(guān)作為位置檢測輸入，通過直流繼電器驅(qū)動主軸電機接觸器、夾緊氣缸以及冷卻泵[1].

2PLC程序設(shè)計

本系統(tǒng)PLC程序由三個部分組成——單步執(zhí)行程序、單周期執(zhí)行程序以及多周期執(zhí)行程序.單步與單周期程序用于技術(shù)人員對鉆床的現(xiàn)場調(diào)試，多周期用于實際生產(chǎn).單步執(zhí)行的流程較為簡單，由面板按鈕或觸摸屏上按鈕控制.技術(shù)人員通過調(diào)節(jié)觸摸屏上的各個參數(shù)以使系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài).單周期與多周期工作流程類似，具體流程參見圖3.在該流程中包含了從工件推入到加工完成的整個步驟，我們采用分步編程法實現(xiàn)[4].

圖3　PLC程序流程圖

3HMI接口設(shè)計

系統(tǒng)中觸摸屏的作用非常關(guān)鍵，系統(tǒng)大量參數(shù)的調(diào)節(jié)都在觸摸屏上實現(xiàn)，通過觸摸屏調(diào)節(jié)的相關(guān)參數(shù)見表1.

表1觸摸屏調(diào)節(jié)的參數(shù)及其范圍

序 號參 數(shù)調(diào)節(jié)范圍1工作臺旋轉(zhuǎn)速度/Hz0~1002夾緊氣缸延時時間/s0.5~23上推進氣缸延時時間/s2~54下推進氣缸延時時間/s2~55工作臺上升/下降速度/Hz0~506工作臺上升位移距離/mm0~207工作臺下降位移距離/mm0~28加工工件計數(shù)/個0~10000

4電氣系統(tǒng)設(shè)計與裝調(diào)

4.1　主要電氣器件的選型

本設(shè)計選擇三菱Q系列PLC，其型號為Q00UJCPU-S8 ，它的基本組成包括電源模塊、CPU模塊、基板、I/O模塊等.通過各種特殊功能模塊可提高PLC的性能及擴大PLC的應(yīng)用范圍.它的指令豐富，可以用GX Developer，也支持編程器編程，且編程簡單，應(yīng)用方便[2].PLC可與GX-Developer高速通信，提高了調(diào)試效率;通信有USB和RS232兩種端口,USB接口可以和任意一臺計算機連接，而RS232接口可以和觸摸屏通信，通過觸摸屏控制PLC.

觸摸屏的型號為GT1155-QSBD-C，它具有如下特點:靈敏度相對比較高，而且具有防水防塵功能；和PLC通信端口有RS232和USB接口；色彩比較豐富，由256色大屏幕顯示，可以增強視覺效果；有豐富的資源庫，在設(shè)計時可以在庫中選擇適合元件；具有備份功能，在原系統(tǒng)故障時，可以通過恢復備份來恢復實時操作[3].

本系統(tǒng)需兩套步進電機驅(qū)動單元，用于驅(qū)動工作平臺升降和工作臺旋轉(zhuǎn)推入/推出工件.由于工作平臺升降所需驅(qū)動力矩較大，經(jīng)計算采用杭州米格FHB31118型三相混合式步進電機，該電機保持轉(zhuǎn)矩為16 N·m，滿足驅(qū)動要求.與之配套的步進電機驅(qū)動器選擇的是HBQ30722A等角度恒力矩細分型驅(qū)動器.而工作臺旋轉(zhuǎn)推入/推出工件所需驅(qū)動力矩較小，經(jīng)計算選用杭州米格FHB3913型低電壓三相混合式步進電機，該電機保持轉(zhuǎn)矩為6 N·m，滿足驅(qū)動要求.與之配套的步進電機驅(qū)動器選擇的是HBQ3066D等角度恒力矩細分型驅(qū)動器.

4.2　電氣線路設(shè)計

本電氣系統(tǒng)包含PLC控制模塊、步進電機驅(qū)動模塊、直流繼電器控制模塊以及外部信號輸入模塊等部分.具體電氣原理如圖4所示.

PLC給每臺步進電機控制器輸出PU，DR和MF 3路信號.其中PU信號為步進脈沖信號，通過改變PU脈沖頻率即可控制步進電機轉(zhuǎn)速；DR信號為正反轉(zhuǎn)控制信號，DR為“1”時電機正轉(zhuǎn)，為“0”時電機反轉(zhuǎn)；MF為電機啟動/停止信號，MF為“1”時電機停止，為“0”時電機啟動.PLC的I/O口分配表如表2所示.

4.3　電氣線路裝調(diào)

本電氣控制系統(tǒng)安裝于自動鉆床的支架內(nèi)側(cè)，為了方便生產(chǎn)廠家使用，設(shè)計了選擇開關(guān)SA2用于選擇觸摸屏控制或面板控制，正常情況下系統(tǒng)采用觸摸屏控制，當觸摸屏出現(xiàn)故障或通訊出現(xiàn)故障時采用面板控制.同時，在觸摸屏和面板上都設(shè)計了工作模式選擇開關(guān),用來確定系統(tǒng)工作于單步執(zhí)行、單周期執(zhí)行以及多周期執(zhí)行狀態(tài).技術(shù)人員在調(diào)試機器時可選擇單步或單周期狀態(tài)，正常生產(chǎn)時選擇多周期狀態(tài).

圖4　PLC控制系統(tǒng)電氣原理

表2PLC的I/O口分配

功能說明設(shè) 備地 址功能說明設(shè) 備地 址單周期SA1-1X0工作臺極限上限位SQ4XF多周期SA1-2X1工作臺極限下限位SQ5X10單步SA1-3X2工作臺旋轉(zhuǎn)步進電機PU-PU-Y20手動SA1-4X3工作臺升降步進電機PU-PU-Y21啟動SB1X4工作臺旋轉(zhuǎn)步進電機DR-DR-Y22停止SB2X5工作臺升降步進電機DR-DR-Y23工作臺正轉(zhuǎn)SB3X6工作臺旋轉(zhuǎn)步進電機MF-MF-Y24工作臺反轉(zhuǎn)SB4X7工作臺升降步進電機MF-MF-Y25工作臺下降SB5X8上鉆頭轉(zhuǎn)動KM1Y26工作臺上升SB6X9下鉆頭轉(zhuǎn)動KM2Y27上異步電機運行SB7XA加緊電磁閥YA1Y28下異步電機運行SB8XB上氣缸推進電磁閥YA2Y29工作臺旋轉(zhuǎn)限位1SQ1XC下氣缸推進電磁閥YA3Y2A工作臺旋轉(zhuǎn)限位2SQ2XD上注水電磁閥YA4Y2B工作臺旋轉(zhuǎn)限位3SQ3XE下注水電磁閥YA5Y2C

5結(jié)語

本設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)包含兩部分——高速步進電機PLC控制及多參數(shù)HMI觸摸屏顯示與調(diào)節(jié).該系統(tǒng)主要技術(shù)指標如下：

(1)以5 mm厚水晶燈罩鉆孔為例，孔徑8 mm，一個批次(3只)鉆孔時間為1.5 min，一天能完成600批次鉆孔，是人工鉆孔效率的6～8倍.

(2)鉆孔全程自動加入冷卻液，無粉塵污染；

(3)鉆頭最小輸出距離<0.02 mm；

本系統(tǒng)的創(chuàng)新點在于：

(1)鉆頭工作進給采用高速步進電機控制，控制精度高，由于步進電機最高脈沖速度為6000 pls/min，所以鉆頭最小輸出距離可以達到0.013 mm；

(2) PLC+觸摸屏的控制模式符合現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展趨勢；

(3)上下鉆頭進給深度、進給速度以及工件送入氣缸延時時間、夾緊氣缸延時時間等參數(shù)都設(shè)置為現(xiàn)場可調(diào)，保證工人能調(diào)試出最佳參數(shù)配置，提高了生產(chǎn)效率，降低了廢品率；

(4)采用圓分度盤旋轉(zhuǎn)進料與出料，操作人員只需站在同一個工作點上裝料和取料[5].

本系統(tǒng)技術(shù)特點明顯，能同時加工3只水晶制品，能完成“工件送入工位—夾緊—自動鉆孔—放松—退出工位”的完整過程，鉆孔速度快，工件破損率低，勞動效率高.能替代5～6名人工，以每機投入4萬元測算，年回報率達到100%，市場應(yīng)用價值廣闊.

參考文獻:

[1]陳忠平，周少華，侯玉寶，等.三菱FX/Q系列自學手冊[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[2]菱電國際有限公司.系列微型可編程控制器使用手冊[M].日本：菱電國際有限公司，2007.

[3]菱電國際有限公司.三菱電機GOT1000觸摸屏使用手冊[M].日本：菱電國際有限公司，2007.

[4]羅偉，鄧木生.PLC與電氣控制[M].北京：中國電力出版社，2009.

[5]趙建鵬，張瀅，楊建軍.化油器單鉆孔機床的控制系統(tǒng)設(shè)計[J].沈陽航空工業(yè)學院學報，2010(6)：53-55.

(責任編輯鄧穎)

Design of Crystal Drilling Machine Control System Based on PLC

Zhang Xiaohang

(School of Information and Engineering, Jinhua Vocational and Technical College, Jinhua, Zhejiang 321017)

Abstract：This paper describes the design proposal of an automatic crystal drilling machine control system based on Mitsubishi PLC. The proposal includes the selection of electrical components, configuration of PLC Interface, PLC programming and design of HMI. The drilling machine can simultaneously drill a hole in 3 crystal lampshades, and can automatically complete the processing of work pieces into the station→clamping→automatic drilling→relaxing→exiting from the station. It can be chosen to work in a manual mode, monocyclic mode and automatic mode. The machine has a touch screen man-machine interface whose parameters are easy to set.

Key words：PLC; HMI; automatic drilling; stepper motor control

中圖分類號：TP273+.5

文獻標志碼：A

文章編號：1008-293X(2015)10-0071-04

doi：10.16169/j.issn.1008-293x.k.2015.10.15

*收稿日期：2015-11-16

作者簡介：張小杭(1971-)，男，浙江蘭溪人，碩士，講師，研究方向：工業(yè)控制與智能控制.