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(青海發(fā)投堿業(yè)有限公司機(jī)修車(chē)間，青海 德令哈　817099)

1　加工中心介紹

1.1　研究背景及意義

加工中心其自動(dòng)化程度高、工序集中，有立式和臥式之分，其中最為突出的是臥式加工中心，其主軸水平放置，大多數(shù)采用移動(dòng)立柱結(jié)構(gòu)，大多數(shù)都帶有回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。加工中心帶有刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置，在加工工件時(shí)，工件通過(guò)一次裝夾就可以加工工件的多個(gè)表面或多個(gè)孔。

當(dāng)加工中心機(jī)床進(jìn)行批量加工時(shí)，工件裝卸的時(shí)間比較長(zhǎng)，機(jī)床上的電氣控制的交換臺(tái)可以?xún)晒ぷ髋_(tái)進(jìn)行交換，可以在加工的同時(shí)進(jìn)行裝夾，這樣就縮短了工件裝卸的時(shí)間，提高機(jī)床的利用率。因此，此項(xiàng)研究非常重要，它對(duì)提高機(jī)床的效率有著重要的意義和廣闊的發(fā)展前景。

1.2　國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

加工中心最初是在數(shù)控鏜銑床上增加了自動(dòng)換刀裝置從而實(shí)現(xiàn)多種工序加工的機(jī)床。

近年來(lái)加工中心有很大的發(fā)展，有立、臥五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，用于航空零件的加工，汽車(chē)零件的加工，其加工中心柔性高，生產(chǎn)率高，精度高，主軸轉(zhuǎn)速高。

在國(guó)內(nèi)，國(guó)產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床有了很大的提高，和國(guó)外的同種產(chǎn)品相比較還是有很大的差距，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)國(guó)產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床的市場(chǎng)占有率很低。國(guó)產(chǎn)的平均無(wú)故障時(shí)間低，機(jī)床故障率高。

1.3　主要設(shè)計(jì)內(nèi)容

通過(guò)對(duì)加工中心交換工作臺(tái)工作原理分析，設(shè)計(jì)選用PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)加工中心交換工作臺(tái)控制。因此控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要完成硬件和軟件設(shè)計(jì)兩部分工作，包括PLC機(jī)型選擇、I/O分配以及梯形圖的設(shè)計(jì)。

2　加工中心交換工作臺(tái)工作過(guò)程及控制要求分析

2.1　加工中心交換工作臺(tái)工作過(guò)程分析

1)由一個(gè)閥來(lái)控制使得交換臺(tái)抬起，用一個(gè)檢測(cè)信號(hào)檢測(cè)是否到位；

2)由一個(gè)閥來(lái)控制使得交換臺(tái)拉鉤抬起，用相應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)檢測(cè)是否到位；

3)用兩個(gè)檢測(cè)信號(hào)檢測(cè)兩工作臺(tái)是否落入鉤子里，檢測(cè)到位后，將工作臺(tái)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；

4)由一個(gè)閥來(lái)控制使得工作臺(tái)拉鉤落下，用一個(gè)檢測(cè)信號(hào)檢測(cè)是否到位；

5)由一個(gè)閥來(lái)控制使得交換臺(tái)落下，用一個(gè)檢測(cè)信號(hào)檢測(cè)是否到位；

6)觀察檢測(cè)交換臺(tái)旋轉(zhuǎn)是否到位的零位指示燈是否亮起。

交換工作臺(tái)都要重復(fù)以上步驟，其旋轉(zhuǎn)方向不同。

交換工作臺(tái)是通過(guò)PLC輸入信號(hào)和輸出信號(hào)來(lái)控制電磁閥實(shí)現(xiàn)加工中心工作臺(tái)交換。

由以上動(dòng)作可以得到電磁閥先后得電順序。見(jiàn)表1。

表1　電磁閥先后得電順序

注：“+”為得電，“-”為不得電。

2.2　加工中心交換工作臺(tái)控制要求分析

要實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的交換首先要裝夾確認(rèn)和交換臺(tái)定位，在這兩個(gè)條件同時(shí)滿足時(shí)才能執(zhí)行M代碼來(lái)進(jìn)行交換動(dòng)作。

準(zhǔn)備區(qū)定位選用銷(xiāo)定位，工作臺(tái)1、2檢測(cè)在位，按下裝夾完成按鈕并確認(rèn)指示燈亮，交換臺(tái)落下到位，交換臺(tái)拉勾落下到位，準(zhǔn)備區(qū)交換臺(tái)到零位位置，X軸和工作區(qū)交換臺(tái)到第二參考點(diǎn)，拉鉤抬起，在拉鉤檢測(cè)到位的情況下進(jìn)行拉鉤正反轉(zhuǎn)，拉鉤正反轉(zhuǎn)到位后，拉鉤落下，拉鉤落下到位后交換臺(tái)夾緊，此時(shí)已完成交換臺(tái)交換。

當(dāng)不能滿足以上條件就會(huì)出現(xiàn)“2072 Tab Disallow-Chang 交換臺(tái)不能交換”提示。

2.3　確定控制方式

2.3.1繼電接觸器控制系統(tǒng)

工業(yè)生產(chǎn)隨市場(chǎng)需求的轉(zhuǎn)變，開(kāi)始大批量小品種轉(zhuǎn)變?yōu)樾∨慷嗥贩N的生產(chǎn)。在發(fā)展過(guò)程中，繼電接觸器出現(xiàn)了許多弊端，它成為了生產(chǎn)轉(zhuǎn)換的一大困難。

繼電接觸器控制系統(tǒng)的弊端：

1)使用大量機(jī)械觸點(diǎn)，其可靠性比較差；

2)其功能局限性比較大、所占空間大、耗能多；

3)當(dāng)生產(chǎn)工藝發(fā)生變化其元件和接線要有所變動(dòng)，變動(dòng)過(guò)程中時(shí)間長(zhǎng)，所需費(fèi)用比較多。

2.3.2可編程控制器(PLC)

PLC作為一種專(zhuān)為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的控制器，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中有極其重要地位，主要有以下特點(diǎn)：

1)可靠性高并且抗干擾能力強(qiáng)；

2)通用性好，控制程序可以改變，使用方便，具有很好的柔性；

3)功能強(qiáng)、適用范圍廣、性能價(jià)格比較高；

4)程序簡(jiǎn)單且易學(xué)易用；

5)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試以及維修方便。

因此，為了更方便有效地實(shí)現(xiàn)加工中心交換工作，在設(shè)計(jì)中選用可編程控制器(PLC)。

3　控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1　PLC機(jī)型選擇

PLC生產(chǎn)廠家較多，實(shí)現(xiàn)的功能大致相同，但性?xún)r(jià)比和編程語(yǔ)言有很大的差別。

在我國(guó)市場(chǎng)生產(chǎn)PLC的廠家有以下幾個(gè)：

1)施耐德公司

2)羅克韋爾公司

3)西門(mén)子公司

4)通用電氣公司

5)日本公司(歐姆龍，三菱，富士，松下)

其中用戶(hù)買(mǎi)的最多的是三菱公司的FX系列。

PLC選型的基本原理是:在輸入、輸出上應(yīng)滿足要求，其次是選擇可靠，售后和使用較為方便及性?xún)r(jià)比比較好的PLC。

在選型過(guò)程中首先要確定輸入和輸出的數(shù)量，在確定數(shù)量后應(yīng)該增加備用量，防止以后在增加控制功能時(shí)輸入輸出接口不夠的現(xiàn)象。在本次設(shè)計(jì)中輸入口有13個(gè)，輸出口有12個(gè)。

機(jī)床本身用的是FANUC數(shù)控系統(tǒng)，在選用中盡可能選用同一品牌、型號(hào)的產(chǎn)品，因此選用FANUC的PLC機(jī)。

3.2　I/O地址分配

輸入/輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)的PLC的I/O端子上的地址分配是進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)所必需的。在分配好地址以后就可以進(jìn)行編寫(xiě)程序。(見(jiàn)表2)

3.3　I/O硬件接線圖及電器元件

電氣控制電路設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能減少電器元件的品種和規(guī)格，用途相同的元件，要選用同一品牌、型號(hào)的產(chǎn)品。要盡量了解新產(chǎn)品，使得設(shè)計(jì)進(jìn)行順利，使路線在技術(shù)指標(biāo)、穩(wěn)定性、可靠性得到大大提高，通過(guò)電氣原理圖和機(jī)床本身所用的FANUC數(shù)控系統(tǒng)和青海華鼎機(jī)床電器元件選型的參考來(lái)得到下列電氣元件。

表2　本設(shè)計(jì)的I/O分配表

(續(xù)表)

表3　電器元件清單

3.4　軟件的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)軟件過(guò)程中首先要設(shè)計(jì)出程序的流程圖，設(shè)計(jì)出流程圖后才可以設(shè)計(jì)軟件，在設(shè)計(jì)軟件過(guò)程中要考慮到檢測(cè)，檢測(cè)是否到位，在設(shè)計(jì)中要按照要求從左向右，觸點(diǎn)畫(huà)在水平線上，線圈接在右線上，按照所要求的程序依次畫(huà)出。

3.4.1程序設(shè)計(jì)流程

程序流程圖見(jiàn)圖1。

3.4.2梯形圖的設(shè)計(jì)

通過(guò)以上流程圖對(duì)編寫(xiě)梯形圖有大致的了解，通過(guò)所學(xué)的知識(shí)編寫(xiě)出梯形圖。

在本次設(shè)計(jì)加入了交換臺(tái)正反轉(zhuǎn)不到位報(bào)警裝置；運(yùn)用了一些中間地址和保持開(kāi)關(guān)，加入了交換臺(tái)第二參考點(diǎn)，運(yùn)用了一些功能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)延時(shí)。

圖1　程序流程圖

圖2　交換臺(tái)梯形圖(一)

對(duì)以下梯形圖進(jìn)行解說(shuō):

要使Y4.1交換臺(tái)落下，Y0005.4零位指示燈亮起，X0007.5拉鉤落下檢測(cè)到位使得Y4.1得電，Y4.1常開(kāi)觸點(diǎn)得電形成自鎖。

圖3　交換臺(tái)梯形圖(二)

用M66來(lái)實(shí)現(xiàn)Y4.0的輸出使交換臺(tái)抬起；

用M67來(lái)實(shí)現(xiàn)Y4.1的輸出使交換臺(tái)落下；

用M69來(lái)實(shí)現(xiàn)Y4.2的輸出使交換臺(tái)反轉(zhuǎn)；

圖4　交換臺(tái)梯形圖(三)

用M68來(lái)實(shí)現(xiàn)Y4.3的輸出使交換臺(tái)正轉(zhuǎn)；

用M58來(lái)實(shí)現(xiàn)Y4.4的輸出使交換臺(tái)拉鉤抬起；

用M57來(lái)實(shí)現(xiàn)Y4.5的輸出使交換臺(tái)拉鉤落下；

用M62來(lái)實(shí)現(xiàn)Y4.6的輸出使交換臺(tái)定位；

用M63來(lái)實(shí)現(xiàn)Y5.5的輸出使交換臺(tái)自轉(zhuǎn)。

上段程序F7.0是M代碼的選通信號(hào)。

M62 交換臺(tái)定位(插銷(xiāo))

M63交換臺(tái)自轉(zhuǎn)(拔銷(xiāo))

M66交換臺(tái)松開(kāi)

M58拉鉤抬起

M68(或M69)拉鉤的正反轉(zhuǎn)

M57拉鉤落下

M67交換臺(tái)夾緊

工作臺(tái)交換所用的程序如下：

G91機(jī)床的增量方式

G28 B0旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)回第一參考點(diǎn)

G30 B0旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)回第二參考點(diǎn)

G30 Z0立柱退回第一參考點(diǎn)

G30 P2 X0X軸到第二參考點(diǎn)即X軸的交換位置

M66交換臺(tái)松開(kāi)

M58拉鉤抬起

M68(或M69)拉鉤的正反轉(zhuǎn)

M57拉鉤落下

M67交換臺(tái)夾緊

M30程序結(jié)束

4　結(jié)　論

本文介紹了加工中心交換工作臺(tái)控制。簡(jiǎn)述了加工中心交換工作臺(tái)控制原理、加工中心交換工作臺(tái)控制的電氣原理圖，可編程控制器PLC對(duì)整個(gè)工作臺(tái)交換過(guò)程中的工作臺(tái)正/反轉(zhuǎn)、交換臺(tái)的松開(kāi)/夾緊、交換臺(tái)定位/交換臺(tái)自轉(zhuǎn)的動(dòng)作順序的編程，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，數(shù)控機(jī)床獲得了良好的控制效果，縮短了裝卸工件的時(shí)間，提高了機(jī)床的利用率和生產(chǎn)率，保證了設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，解決了加工中心裝夾時(shí)間長(zhǎng)等一致性問(wèn)題。

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