范 東，劉紅梅

（湖北文理學(xué)院汽車與工程學(xué)院，湖北 襄陽(yáng)441053）

PLC在鉆孔動(dòng)力頭上的簡(jiǎn)單運(yùn)用

范 東，劉紅梅

（湖北文理學(xué)院汽車與工程學(xué)院，湖北 襄陽(yáng)441053）

以三菱的FX2N-80MR-D型號(hào)的PLC作為主控制器，設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)鉆孔的控制系統(tǒng)。通過程序設(shè)計(jì)與調(diào)試解決了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的鉆孔動(dòng)力頭在鉆孔進(jìn)行到一半停電后恢復(fù)供電會(huì)導(dǎo)致的鉆頭卡住無法啟動(dòng)的問題，并實(shí)現(xiàn)了主軸的自動(dòng)快進(jìn)、工進(jìn)、停留和回退。此設(shè)備可以用于PLC的基礎(chǔ)教學(xué)，也可以作為課程的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參考。

PLC；鉆孔；自動(dòng)控制；教具；簡(jiǎn)單

0 引言

傳統(tǒng)的鉆孔過程大多是工人們?cè)阢@床上手動(dòng)操作加工的，這樣的加工方法具有成本高，加工的質(zhì)量不穩(wěn)定而且很難與其他加工設(shè)備互相通訊等缺點(diǎn)。而使用PLC的控制系統(tǒng)就可以很好的解決這一問題，PLC具有抗干擾能力強(qiáng)，通用性好，編程方法簡(jiǎn)單易學(xué)并具有完善的監(jiān)視和診斷的功能等一系列的優(yōu)點(diǎn)，并且在結(jié)構(gòu)上可以使用空余的PLC輸入端子[1]來實(shí)現(xiàn)與其他自動(dòng)化設(shè)備的通訊。本次設(shè)計(jì)使用型號(hào)為TD8-130的動(dòng)力頭來鉆φ5的小孔。以此動(dòng)力頭作為對(duì)象，使用PLC對(duì)其進(jìn)行控制，并按照實(shí)際的工作過程及要求，對(duì)所編制程序進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，其運(yùn)行結(jié)果與實(shí)際要求一致。

1 基本結(jié)構(gòu)和控制要求

設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)由快速電機(jī)、慢速電機(jī)、2個(gè)動(dòng)合按鈕、主軸旋轉(zhuǎn)電機(jī)、3個(gè)動(dòng)合的行程開關(guān)[1]、斷路器、電源、4個(gè)接觸器[1]等組成。系統(tǒng)的控制要求為：

（1）在系統(tǒng)工作前，控制系統(tǒng)需要判斷主軸是否在初始位置，如果是系統(tǒng)進(jìn)入等待命令狀態(tài)，否則進(jìn)入快退恢復(fù)到初始位置。

（2）當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕且動(dòng)力頭在原位時(shí)主軸開始快速進(jìn)給，同時(shí)主軸開始旋轉(zhuǎn)。

（3）主軸到達(dá)指定位置后，切換到工作進(jìn)給，主軸保持旋轉(zhuǎn)。

（4）主軸到達(dá)最下端后，主軸停止進(jìn)給并保持旋轉(zhuǎn)，開始10 s延時(shí)。

（5）延時(shí)結(jié)束后主軸停止旋轉(zhuǎn)并快退到原始位置。另要求斷電后重新上電可以自動(dòng)回復(fù)到初始狀態(tài)。

分析：要使主軸到達(dá)指定位置后PLC能夠感應(yīng)到，此時(shí)需要在初始位置，快進(jìn)切換到工進(jìn)的位置和最下端應(yīng)該分別安裝限位開關(guān)ST3、ST1和ST2.鉆孔的流程圖如圖1所示。

圖1 鉆孔動(dòng)力頭流程圖

2 對(duì)PLC的選型與I/O口的分配

（1）I/O口的分配如表1所示。

表1 I/O口分配表

（2）PLC選型

輸入口有：?jiǎn)?dòng)按鈕SB1，停止按鈕SB2，限位開關(guān)ST1，限位開關(guān)ST2，限位開關(guān)ST3共5個(gè)接口。

輸出接口有：控制快速電機(jī)正傳的接觸器線圈KM1，控制慢速電機(jī)啟動(dòng)的接觸器線圈KM2，控制快速電機(jī)反轉(zhuǎn)的接觸器線圈KM3以及控制主軸旋轉(zhuǎn)的線圈KM4.

綜合需要5個(gè)輸入的PLC端子，4個(gè)輸出的PLC端子，查詢PLC的型號(hào)表選擇三菱的FX2N-80MRD型號(hào)的PLC此PLC擁有8個(gè)輸入端子和8個(gè)輸出端子。

3 設(shè)計(jì)外部接線圖

如圖2所示按照設(shè)計(jì)的表格嚴(yán)格連接外部設(shè)備與PLC的端子時(shí)需要注意所有的輸入端子都必須要與com口[1]相連接，這樣PLC才可以通過檢查端子與com口之前電路的通斷來判斷開關(guān)是處于什么狀態(tài)。另由于此型號(hào)PLC的工作電壓只有24 V，考慮到無法帶動(dòng)接觸器的線圈動(dòng)作因而在輸出回路中串聯(lián)了一個(gè)電源，同樣輸出回路也需要連接到指定的com口，另外在輸出回路的總路線上串聯(lián)一個(gè)斷路器來確保安全。

圖2 PLC外部接線圖

4 控制程序設(shè)計(jì)

連接完外部接線圖后，根據(jù)控制需求對(duì)此PLC進(jìn)行程序的寫入，此程序的SFC程序圖[2]如圖3所示，當(dāng)PLC通電的瞬間M8002[1]會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖PLC進(jìn)入SO狀態(tài)，此為初始狀態(tài)，這狀態(tài)下系統(tǒng)處于等待命令狀態(tài)。

圖3 SFC程序圖

（1）一般過程

1）快速進(jìn)給：當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕SB1后PLC會(huì)檢查行程開關(guān)ST3的狀態(tài)，確保鉆頭在初始位置后，滿足了條件X001，系統(tǒng)進(jìn)入狀態(tài)S20此時(shí)系統(tǒng)開始工作要求鉆頭的主軸開始旋轉(zhuǎn)并開始向前快速進(jìn)給，由I/O口分配表可知此狀態(tài)下PLC需要接通Y4與Y2端子。

2）過渡階段：當(dāng)主軸碰到行程開關(guān)ST1后X003條件得到滿足系統(tǒng)進(jìn)入過度狀態(tài)S21此狀態(tài)的前后2個(gè)狀態(tài)都有Y4接通的命令，所以加入此過渡狀態(tài)防止出現(xiàn)雙線圈。

3）工作進(jìn)給：由于M8000[1]為無條件輸出的繼電器所以系統(tǒng)很快進(jìn)入狀態(tài)S22，此狀態(tài)下轉(zhuǎn)頭即將接觸到工件，主軸需要進(jìn)入工作進(jìn)給狀態(tài)同時(shí)主軸必須保持旋轉(zhuǎn)，則此狀態(tài)下PLC的Y4和Y2端子會(huì)被接通。

4）停滯階段：碰到ST2后條件X004得到滿足系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入到過渡狀態(tài)S23，此狀態(tài)作一個(gè)分隔的作用并以M8000作為跳轉(zhuǎn)條件直接進(jìn)入到下一個(gè)狀態(tài)，到達(dá)S24后，為了鉆孔的精度主軸需要繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，因此在此狀態(tài)下Y4需要接通，同時(shí)為了設(shè)定鉆孔時(shí)間需要調(diào)用到計(jì)時(shí)器，此時(shí)調(diào)用計(jì)時(shí)器T0開始計(jì)時(shí)并設(shè)定設(shè)定K=100.

5）快退階段：T0[2]是一個(gè)100 ms的定時(shí)器在設(shè)定值K=100后系統(tǒng)會(huì)記錄計(jì)時(shí)器發(fā)出的脈沖的次數(shù)，在達(dá)到設(shè)定的次數(shù)即10 s后發(fā)出信號(hào)使系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S25，此時(shí)Y3得電主軸快退，當(dāng)退到初始位置后ST3動(dòng)作，X005接通PLC回到狀態(tài)S0完成一次循環(huán)。

（2）特殊過程

斷電的恢復(fù)過程：當(dāng)此鉆孔動(dòng)力頭在鉆孔到一半時(shí)如果遇到停電，PLC的所有功能都停止，本次設(shè)計(jì)沒有使用S500～S899[2]的具有狀態(tài)保持功能的狀態(tài)元件因而數(shù)據(jù)會(huì)全部丟失，在PLC重新上電后M8002發(fā)送脈沖PLC進(jìn)入狀態(tài)S0，此時(shí)PLC會(huì)檢測(cè)到X005處于斷路狀態(tài)，即鉆頭由于停電不在初始位置，后PLC會(huì)直接跳到狀態(tài)S25使主軸快退回到壓住行程開關(guān)ST3的位置后X005接通回到初始狀態(tài)S0使系統(tǒng)完成復(fù)位，后從新開始等待命令。

停止過程：在按下開關(guān)SB2后，條件X001滿足，PLC的所有端口都斷開，所有電機(jī)都停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

5 安裝與調(diào)試

PLC控制的鉆孔系統(tǒng)中為弱電，強(qiáng)電的混合系統(tǒng)，因而再控制柜的元件布置后走線上需要考慮到對(duì)元件的保護(hù)，如盡量使PLC遠(yuǎn)離發(fā)熱設(shè)備以及變頻器動(dòng)力回路中的電線需要與PLC的輸入輸出回路分開，防止強(qiáng)電流進(jìn)入PLC燒壞主機(jī)。同時(shí)接觸器與PLC也需要保持一定的距離以減少電磁干擾。調(diào)試過程需要注意的是：

（1）電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向調(diào)整，再檢修時(shí)，使用點(diǎn)動(dòng)來驗(yàn)證電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向是否正確。

（2）首次使用請(qǐng)驗(yàn)證PLC的斷電回復(fù)能力：當(dāng)鉆頭不在初始位置時(shí)斷電，再次上點(diǎn)看系統(tǒng)能否自動(dòng)恢復(fù)到初始狀態(tài)。

（3）安裝成功后請(qǐng)?jiān)囼?yàn)性完成一次自動(dòng)鉆孔的全過程，驗(yàn)證系統(tǒng)各零件是否正常工作。

（4）特別需要注意系統(tǒng)突然斷電后的重啟過程，如果恢復(fù)供電后主軸不在初始位置PLC在上電后會(huì)立刻控制主軸快退以回到初始位置，會(huì)存在有潛在的危險(xiǎn)性。

按照要求完成安裝與調(diào)試后進(jìn)行鉆孔測(cè)試，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)所鉆的孔的直徑精度較高，而孔的深度方面的精度有所欠缺，總體基本滿足測(cè)試要求。

[1]馮清秀，鄧星鐘，周祖德，等.機(jī)電傳動(dòng)控制[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2011：180-182.

[2]王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)[M].2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

Design Control System of Drilling Power Head Based on PLC

FAN Dong，LIU Hong-mei
（Department of Mechanical Engineering，Hubei University of Arts and Science ，Xiangyang Hubei 441053，China）

With mitsubishi’s fx2n-80mr-d model PLC as the main controller，a set of automatic drilling equipment was designed.Drilling power head has been solved by the programming and debugging in the borehole to restore power after a half way through a power outage can cause the bit jamming problem can’t be started，and implements the spindle automatic fast forward，work，and back.This equipment can be used for the basic teaching of PLC，as well as the experimental design reference for the course.

PLC；drilling；the automatic control；simpleness；teaching aid.

TP319

B

1672-545X（2017）09-0058-03

2017-06-10

（1）襄陽(yáng)市科學(xué)計(jì)劃項(xiàng)目，襄科業(yè)【2014】12號(hào)；（2）“機(jī)電汽車”湖北省優(yōu)勢(shì)特色學(xué)科群開發(fā)基金項(xiàng)目資助，項(xiàng)目編號(hào)XKQ2017018.

范 東（1996-），男，湖北仙桃人，學(xué)士，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化；劉紅梅（1983-）女，湖北襄陽(yáng)人，碩士，講師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與自動(dòng)控制。