劉建春，陳雄風(fēng)，湯輝煌，杜欣宇，許朝陽

（1.廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建廈門361024；2.漳州旭日樂器有限公司，福建漳州363002）

音梁加工機(jī)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉建春1，陳雄風(fēng)1，湯輝煌1，杜欣宇1，許朝陽2

（1.廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建廈門361024；2.漳州旭日樂器有限公司，福建漳州363002）

針對音梁尺寸規(guī)格多變的特點(diǎn)，采用可編程控制器作為控制系統(tǒng)核心，通過PLC控制雙軸聯(lián)動(dòng)模塊DVP-20PM實(shí)現(xiàn)音梁的大圓弧插補(bǔ)銑削加工，同時(shí)控制氣缸和刀具電機(jī)，完成音梁的小圓弧銑削、削邊等工作.設(shè)計(jì)觸摸屏界面，方便用戶完成加工參數(shù)的設(shè)定、加工機(jī)的啟動(dòng)停止等控制，并可實(shí)時(shí)顯示各執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài).生產(chǎn)實(shí)踐證明，該控制系統(tǒng)可以全自動(dòng)完成音梁配件常見尺寸規(guī)格的加工，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率.

音梁加工機(jī)；PLC；DVP-20PM；氣動(dòng)系統(tǒng)；觸摸屏；圓弧插補(bǔ)

音梁，也稱力木或立木，不僅可提高樂器面板強(qiáng)度，而且讓音波在樂器琴箱內(nèi)做更多不同反射，每反射一次波長就改變一次，這許多不同波長的音波疊加在一起形成共振，音色就會(huì)更豐富.音梁加工機(jī)是用于加工樂器音梁配件的設(shè)備.目前，音梁加工企業(yè)大多采用傳統(tǒng)的靠模加工方式，由于樂器種類多，造型各異，新的產(chǎn)品需要制造新的模板，因此生產(chǎn)周期長，很難滿足生產(chǎn)節(jié)奏快變的需要.為了解決這個(gè)問題，本文通過PLC控制雙軸聯(lián)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)了可進(jìn)行柔性制造的音梁加工機(jī)控制系統(tǒng).由于PLC擁有強(qiáng)大的邏輯控制功能，具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在許多生產(chǎn)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用：NIU Qin-zhou等將PLC控制系統(tǒng)應(yīng)用到污水處理設(shè)備中，簡化了設(shè)備的電氣系統(tǒng)，提高了可靠性［1］；張永聰?shù)葘︺娗袡C(jī)對羅杰斯板的加工過程設(shè)計(jì)了PLC控制系統(tǒng)，提高了加工過程的自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率［2］；本文將PLC控制系統(tǒng)應(yīng)用到音梁加工機(jī)中，不僅使設(shè)備的自動(dòng)化水平和電氣性能得到較大提高，還保證了設(shè)備的安全、穩(wěn)定運(yùn)行［3］.

1 音梁加工機(jī)工作流程

音梁加工部位如圖1所示.實(shí)際生產(chǎn)中，音梁長度、規(guī)格等大小經(jīng)常變化，長度L由100多mm到400多mm，與面板粘合面接觸的大圓弧半徑R由1 000多mm到10 000多mm，而二邊小圓弧和銑圓角邊的尺寸變化較小.考慮到二邊小圓弧和削邊的尺寸變化較小，為了節(jié)省設(shè)備成本，這2部分分別采用仿形加工和成形刀具加工.工人只需根據(jù)工件尺寸大小，通過操作觸摸屏設(shè)定相關(guān)參數(shù)，調(diào)整好相應(yīng)的模板和成形刀具，然后按下啟動(dòng)按鈕，音梁加工機(jī)就可完成各類尺寸工件的加工，包括銑大圓弧、銑小圓弧、削邊加工.

圖1 音梁加工部位解析圖Fig.1 Sound beam processing site

音梁加工機(jī)工作過程如圖2所示.通氣通電后，在觸摸屏上按下復(fù)位按鈕，加工機(jī)復(fù)位，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)回到初始位置，第一工作平臺(tái)回到A點(diǎn).在觸摸屏設(shè)定好被加工工件長度L、半徑R后，按下啟動(dòng)按鈕自動(dòng)進(jìn)行加工.

圖2 音梁加工機(jī)工作示意圖Fig.2 Working process of the sound beam processor

具體工作流程如下所示.

1）壓實(shí)原料：當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位，工作平臺(tái)回到A點(diǎn)時(shí)按下啟動(dòng)，定位銷氣缸頂出定位銷后，進(jìn)料氣缸伸出，把毛壞從料架上推出頂?shù)蕉ㄎ讳N后，氣缸帶動(dòng)壓塊下降，壓緊木料，延時(shí)0.2 s后，進(jìn)料氣缸縮回，定位銷氣缸帶動(dòng)定位銷退下工作臺(tái)面，完成壓料過程.

2）加工大圓?。憾ㄎ讳N退回到位后輸出到位信號(hào)給PLC，隨后雙軸聯(lián)動(dòng)模塊DVP-20PM控制X軸、Y軸進(jìn)行圓弧插補(bǔ)，加工大圓弧.

3）二次夾緊：當(dāng)X軸、Y軸聯(lián)動(dòng)走到B點(diǎn)時(shí)，完成大圓弧的數(shù)控加工后停下.壓料氣缸松開，推料氣缸伸出，把工件推出頂?shù)降?個(gè)軌道的定位塊，之后氣缸壓緊工件，推料氣缸退回，擋塊正轉(zhuǎn)升起壓住工件兩端.

4）加工小圓?。簹飧淄瞥?、退回完成小圓弧的靠模加工，同時(shí)X軸、Y軸快速聯(lián)動(dòng)退回A點(diǎn)，然后擋塊反轉(zhuǎn)退回工作平臺(tái)下面.

5）加工削邊：第二平臺(tái)推進(jìn)氣缸伸出，推動(dòng)第2軌道平臺(tái)移動(dòng)，利用成形刀具完成削邊加工.

6）加工完畢：當(dāng)?shù)诙脚_(tái)到達(dá)C點(diǎn)后停下，壓料氣缸松開，吹氣電磁閥得電1 s，通過吹氣把工件吹到料箱中，然后氣缸縮回，第二平臺(tái)返回D點(diǎn)，完成一個(gè)工件加工.

7）循環(huán)進(jìn)料：在第2工序中，在二次壓料氣缸壓料延時(shí)之后，推料氣缸返回，X軸、Y軸均快速退回起點(diǎn)，當(dāng)X軸返回到A點(diǎn)時(shí)送信號(hào)給氣缸進(jìn)料，如此自動(dòng)循環(huán)工作.

2 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

音梁加工機(jī)的主要?jiǎng)幼鳉w納為定位銷的頂起與退回、推料桿的進(jìn)與退、壓料塊的夾緊與松開、靠模刀具的左移與右移、擋塊的上升與下降、吹氣閥的開與關(guān)、工作平臺(tái)前進(jìn)與后退、刀具的轉(zhuǎn)動(dòng)與停止等.這些動(dòng)作分別由定位銷氣缸、進(jìn)料氣缸、一次壓料氣缸、推料氣缸、二次壓料氣缸、靠模氣缸、步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)等完成［4］.其中，氣缸動(dòng)作的執(zhí)行主要是靠控制二位五通單線圈電磁閥和三位五通O型雙線圈電磁閥.對定位銷氣缸、進(jìn)料氣缸、靠模氣缸動(dòng)作的執(zhí)行采用二位五通單線圈電磁閥控制.對壓料氣缸動(dòng)作的執(zhí)行則使用三位五通O型雙線圈電磁閥控制，這樣可以保證當(dāng)電磁閥3Y1、6Y1因意外突然斷電時(shí)，電磁閥處于中位氣缸保持前次狀態(tài)不退回，確保工件依然處于壓緊狀態(tài)［5］，防止意外發(fā)生.氣動(dòng)控制圖如圖3所示.

音梁加工機(jī)定位銷的伸出與縮回是靠電磁線圈1Y完成動(dòng)作.進(jìn)料氣缸的進(jìn)退則靠電磁線圈2Y動(dòng)作.加工機(jī)一次壓料氣缸的夾緊靠電磁線圈3Y1動(dòng)作，松開則靠電磁線圈3Y2動(dòng)作.推料氣缸的伸出與縮回是靠電磁線圈4Y動(dòng)作.二次壓料氣缸的夾緊靠電磁線圈5Y1動(dòng)作，松開則靠電磁線圈5Y2動(dòng)作.靠模氣缸前進(jìn)與后退是靠電磁線圈6Y動(dòng)作.第二工作平臺(tái)的前進(jìn)與后退是靠電磁線圈7Y完成倒圓角動(dòng)作.吹氣的開與關(guān)是靠電磁線圈8Y動(dòng)作.第一平臺(tái)通過DVP-20PM聯(lián)動(dòng)模塊控制兩個(gè)伺服電機(jī)M1、M2完成圓弧插補(bǔ).伺服電機(jī)M1由一個(gè)高頻脈沖輸出端口V1和一個(gè)脈沖方向輸出端口K1控制，伺服電機(jī)M2則由另一個(gè)高頻脈沖輸出端口V2和一個(gè)脈沖方向輸出端口K2控制.電磁閥與伺服電機(jī)動(dòng)作可參考表1.

圖3 音梁加工機(jī)氣動(dòng)控制原理圖Fig.3 Pheumatic system of the sound beam processor

表1 電磁閥與伺服電機(jī)動(dòng)作順序TabIe 1 Motion sequence of eIectromagnetic vaIve and servo motor

3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制器的選擇

由于工件需要圓弧插補(bǔ)加工，因此控制器應(yīng)具有雙軸聯(lián)動(dòng)功能，同時(shí)需要至少兩路的高頻輸出端口，用于控制擋塊旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)步進(jìn)電機(jī).

由于該控制系統(tǒng)所需傳感器較多，輸入端口需要29個(gè)，且需控制多個(gè)氣缸及電機(jī)工作，輸出端口需要18個(gè).另外需預(yù)留部分I/O端口用于其他功能的擴(kuò)展使用，綜合性價(jià)比，采用臺(tái)達(dá)PLCDVP64EHOOT2作為主控制器，外擴(kuò)DVP-20PM，用于控制工件的大圓弧加工 .

DVP-20PM是一款具有運(yùn)動(dòng)控制專用功能的可編程控制器.DVP-20PM的最大特點(diǎn)是PLC主機(jī)直接提供電子凸輪功能，特別適合對位置控制和對即時(shí)回應(yīng)有較高要求的定位應(yīng)用場合.

3.2 PLC的I/O地址分配及系統(tǒng)控制原理圖

加工機(jī)需要數(shù)字量輸入29點(diǎn)，數(shù)字量輸出18點(diǎn)，2個(gè)高頻脈沖輸出.輸入包括28個(gè)磁性開關(guān)，1個(gè)急停按鍵.其他26個(gè)手動(dòng)模式按鈕、開啟按鈕、復(fù)位按鈕等輸入用人機(jī)界面來實(shí)現(xiàn).輸出包括控制10個(gè)電磁閥的信號(hào)，3個(gè)刀具電機(jī)，2個(gè)步進(jìn)電機(jī)及相應(yīng)的指示燈、報(bào)警器等.Y4～Y7預(yù)留，用于步進(jìn)電機(jī)控制模塊的擴(kuò)展.PLC的I/O地址分配如表2所示.

表2 PLC I/O地址分配表TabIe 2 PLC IO address aIIocation tabIe

PLC控制器控制20PM模塊、氣動(dòng)回路、各電磁閥等，觸摸屏用于輸入控制信號(hào)［7］.使用多個(gè)磁性傳感器檢測執(zhí)行氣缸的工作狀態(tài)以及工作臺(tái)的位置.將傳感器的檢測信號(hào)傳到PLC主控制器中，主控制器根據(jù)傳感器檢測到的信號(hào)，控制電磁閥、步進(jìn)電機(jī)、雙軸聯(lián)動(dòng)PLC模塊動(dòng)作.電磁閥用于控制氣缸動(dòng)作，雙軸聯(lián)動(dòng)PLC模塊用于控制2臺(tái)伺服電機(jī)，伺服電機(jī)帶動(dòng)工作平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行圓弧插補(bǔ)加工.為了便于操作，增加了觸摸屏人機(jī)界面.控制系統(tǒng)原理如圖4所示.

3.3 PLC主程序設(shè)計(jì)

為了方便調(diào)試和維修，音梁加工機(jī)主要有2種運(yùn)行方式：自動(dòng)模式和手動(dòng)模式.系統(tǒng)啟動(dòng)后默認(rèn)為自動(dòng)模式運(yùn)行，若需要運(yùn)行手動(dòng)模式，只需在觸摸屏上按下手動(dòng)模式選擇按鈕即可.采用這種編程方法可以使編程簡單化，同時(shí)增強(qiáng)程序的可讀性，方便調(diào)試［8］.

自動(dòng)模式主要?jiǎng)幼鬟^程是順序動(dòng)作，完成一步動(dòng)作之后，再進(jìn)行下一步的操作.該控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的步進(jìn)順序控制系統(tǒng).對于步進(jìn)順序控制系統(tǒng)，常見的是采用步進(jìn)順序控制編程方法［9］，相應(yīng)的工作流程如圖5所示.

圖4 PLC控制原理圖Fig.4 PLC controI principIe

圖5 音梁加工機(jī)自動(dòng)模式工藝流程圖Fig.5 FIow chart of automatic process of the sound beam processor

3.4 圓弧插補(bǔ)程序設(shè)計(jì)

20PM模塊控制2臺(tái)伺服電機(jī)，電機(jī)連接絲杠帶動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)，分辨率為10 μm，即10 μm/ pulse，絲桿的導(dǎo)程為10 mm，X方向圓弧加工運(yùn)動(dòng)行程為1 m，加工時(shí)間5 s.根據(jù)上述參數(shù)可計(jì)算出20PM模塊發(fā)出脈沖的速度，以及每移動(dòng)1 mm需要發(fā)出的脈沖數(shù).PLC發(fā)出圓弧插補(bǔ)請求后，首先要確認(rèn)無任何運(yùn)動(dòng)子程序啟動(dòng)，然后根據(jù)圓弧加工長度L和半徑R推算出X、Y軸的各自移動(dòng)距離和整個(gè)插補(bǔ)過程的脈沖數(shù)，將其傳送給20PM模塊，控制X、Y軸的圓弧插補(bǔ)動(dòng)作，其流程如圖6所示.

圖6 圓弧插補(bǔ)程序流程圖Fig.6 FIow chart of circuIar interpoIation

3.5 報(bào)警模塊程序設(shè)計(jì)

加工工程中需對可能出現(xiàn)的工件夾空、夾偏或無料加工等意外情況進(jìn)行控制，下面以處理工件夾空為例進(jìn)行說明.如圖7所示流程圖中，把壓料氣缸前進(jìn)到上極限位置判定為壓料夾偏或者夾空.此時(shí)壓料氣缸上限處傳感器通電發(fā)出信號(hào)，壓料壓空標(biāo)志位置1.標(biāo)志位通電發(fā)出信號(hào)后定位銷缸退回、進(jìn)料缸退回、一次壓料氣缸退回、圓弧刀關(guān)、第一平臺(tái)退回，從而保證了加工過程的安全性.

3.6 觸摸屏設(shè)計(jì)

通過觸摸屏對相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定或修改，存貯在防掉電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中；在觸摸屏設(shè)置權(quán)限，擁有相關(guān)權(quán)限才能進(jìn)行加工機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的修改，或進(jìn)入手動(dòng)模式進(jìn)行操作.利用相應(yīng)指示燈的亮滅，顯示工作狀態(tài)和加工機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，方便對音梁加工機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控［10］.如圖8所示為觸摸屏自動(dòng)模式控制界面.

圖7 壓料壓空程序流程圖Fig.7 FIow chart of workpiece at partiaI pressure

圖8 觸摸屏自動(dòng)模式控制界面Fig.8 Touch screen controI interface for automatic mode

4 結(jié)論

本文對音梁尺寸規(guī)格多變的特點(diǎn)，采用可編程控制器作為控制系統(tǒng)核心，通過PLC控制雙軸聯(lián)動(dòng)模塊DVP-20PM實(shí)現(xiàn)音梁的大圓弧插補(bǔ)銑削加工，同時(shí)控制氣缸和刀具電機(jī)，完成音梁的小圓弧銑削、削邊等工作.實(shí)踐證明，該控制系統(tǒng)可以穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)各類尺寸工件的加工，能加工的音梁長度L尺寸范圍為100～500 mm，半徑R尺寸范圍為600～10 000 mm.控制系統(tǒng)減少了中間環(huán)節(jié)，降低人工成本，提高生產(chǎn)效率，成品率提高5%左右.

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Design of PLC Control System of the Sound Beam Processor

LIU Jian-chun1，CHEN Xiong-feng1，TANG Hui-huang1，DU Xin-yu1，XU Chao-yang2
（1.School of Mechanical&Automotive Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China；2.Zhangzhou XURI Musical Instrument Co.Ltd.，Zhangzhou 363002，China）

Adapting to the much varied sizes of sound beams，a control system was designed using the programmable controller as the core，the programmable logic controller（PLC）control biaxial module DVP-20PM for large circular interpolation milling of the sound beam，and controlled cylinder and the cutter motor to finish small arc milling，edge cutting.A touch screen interface was also designed for convenient setting of the processing parameters，start/stop of the machine，and real-time display of the parts.Manufacturing practice shows that the PLC control system can finish the processing of sound beam processors with common dimensions automatically with improved efficiency and lower labor-intensity.

sound beam processor；programmable logic controller；DVP-20PM；pneumatic system；touch screen；circular interpolation

TH138

A

1673-4432（2015）03-0001-07

（責(zé)任編輯 李 寧）

2015-03-24

2015-05-07

福建省科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目 （2012H0042）；廈門市科技計(jì)劃項(xiàng)目 （3502Z20131156）

劉建春 （1972-），男，教授，博士，研究方向?yàn)閿?shù)控與機(jī)器人應(yīng)用技術(shù).E-mail：xmjcliu@163.com