曹 琳,張峻霞,房德磊,李 盼
(天津市輕工與食品工程機(jī)械裝備集成設(shè)計(jì)與在線監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,天津 300222)
隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展,可編程邏輯控制器(PLC)在組合機(jī)床上被不斷應(yīng)用.采用傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)的組合機(jī)床接線復(fù)雜、故障率高、調(diào)試與維護(hù)困難.PLC具有功能強(qiáng)、可靠性高、使用靈活方便、易于編程等一系列優(yōu)點(diǎn),其在工業(yè)控制中的應(yīng)用越來越廣泛[1].應(yīng)用PLC對組合機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行改造,不僅可以充分發(fā)揮原有設(shè)備的功能,而且對傳統(tǒng)裝備制造業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新以及可持續(xù)發(fā)展有重要意義.
組合機(jī)床是一種由大量通用部件和少量專用部件組合而成的、工序集中的高效率專用機(jī)床,它能對一種(或幾種)零件進(jìn)行多刀、多軸、多面、多工位加工[2].目前,PLC在組合機(jī)床上的應(yīng)用,一方面是利用PLC技術(shù)改造組合機(jī)床的電氣控制系統(tǒng),從而提高機(jī)床的效率、可靠性、自動化程度[3-11],另一方面是利用PLC對組合機(jī)床控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件及軟件設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)方法有廣泛的通用性,可以很方便地進(jìn)行移植[12-16].在改造研發(fā)組合機(jī)床自動控制系統(tǒng)時(shí),PLC取代了傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng),是首選的控制器.S7-200型PLC是一款基礎(chǔ)版本,在大多數(shù)組合機(jī)床中被廣泛應(yīng)用,其程序穩(wěn)定性與成本經(jīng)濟(jì)性良好.因此,本文基于西門子S7-200型PLC的功能,對原有DU型組合機(jī)床電氣系統(tǒng)進(jìn)行改造升級,在對組合機(jī)床進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上,進(jìn)行操作面板的設(shè)計(jì)以及PLC接口資源的分析與分配,追加自動運(yùn)行和手動調(diào)試兩個(gè)模塊,從而實(shí)現(xiàn)機(jī)床的自動化生產(chǎn)和工作人員對機(jī)床的便捷維修.
DU型機(jī)床單機(jī)由液壓動力頭和液壓回轉(zhuǎn)工作臺組成,該機(jī)床可以用來加工某輪轂工件上的12 個(gè)安裝孔.液壓動力頭上裝有36把刀具,共有4個(gè)工位:第一、二、三工位分別為鉆孔、擴(kuò)孔和鉸孔的工序,第四工位用于裝卸工件.其工位布置如圖1所示.此組合機(jī)床的自動工作循環(huán)為:回轉(zhuǎn)臺抬起→回轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)→回轉(zhuǎn)臺反靠→回轉(zhuǎn)臺夾緊→動力頭快進(jìn)→動力頭工進(jìn)→延時(shí)停留→動力頭快退.
圖1 加工工位示意圖Fig.1 Schematic diagram of processing station
主回路中的主電路控制3臺電動機(jī):M1為主電動機(jī),M2為液壓泵電動機(jī),M3為冷卻泵電動機(jī).主電路控制線路如圖2所示,該控制線路實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對多臺電動機(jī)的啟動控制.
圖2 主電路控制線路示意圖Fig.2 Schematic diagram of main circuit control circuit
液壓回轉(zhuǎn)工作臺通過控制液壓系統(tǒng)油路實(shí)現(xiàn)工作臺的轉(zhuǎn)位動作.液壓系統(tǒng)的動作循環(huán)是通過電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行控制.回轉(zhuǎn)工作臺回轉(zhuǎn)控制線路圖如圖3所示,回轉(zhuǎn)時(shí)各電磁鐵及限位開關(guān)的工作狀態(tài)見表1,其中:+表示電磁鐵得電,-表示電磁鐵失電,(+)表示備用電磁鐵得電.回轉(zhuǎn)工作臺的轉(zhuǎn)位動作如下:自鎖銷脫開及回轉(zhuǎn)臺抬起→回轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)及緩沖→回轉(zhuǎn)臺反靠→回轉(zhuǎn)臺夾緊→離合器脫開→回轉(zhuǎn)缸返回.
表1 回轉(zhuǎn)臺工作時(shí)各電磁鐵及限位開關(guān)的工作狀態(tài)Tab.1 Working state of each electromagnet and limit switch when the rotary table rotates
圖3 回轉(zhuǎn)工作臺回轉(zhuǎn)控制線路圖Fig.3 Rotary control circuit diagram of rotary table
動力頭是既能完成進(jìn)給運(yùn)動,又能完成刀具切削運(yùn)動的動力部件.液壓動力頭的自動工作循環(huán)通過控制線路控制液壓系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn).圖4是一次工作進(jìn)給液壓控制線路.表2是液壓動力頭工作時(shí)電磁鐵及限位開關(guān)的工作狀態(tài).控制線路的自動工作循環(huán)是:動力頭快進(jìn)→工作進(jìn)給→延時(shí)停留→快速退回到原位.
表2 液壓動力頭工作時(shí)電磁鐵及限位開關(guān)的工作狀態(tài)Tab.2 Working state of electromagnet and limit switch during operation of hydraulic power head
圖4 一次工作進(jìn)給電氣控制線路圖Fig.4 Electrical control circuit diagram of primary working feed
對PLC輸入和輸出接口進(jìn)行資源分配:輸入接口連接3個(gè)部分,即電動機(jī)啟動部分、回轉(zhuǎn)工作臺回轉(zhuǎn)部分、動力頭部分;輸出接口連接3個(gè)部分,即回轉(zhuǎn)臺工作部分、指示燈部分、電動機(jī)接觸器部分.如圖5所示.
圖5 接口資源分析與分配Fig.5 Analysis and allocation of interface resources
2.1.1 輸入接口模塊
輸入口I0.0—I0.6是電動機(jī)啟動部分.M1、M2的啟動由SB2控制,輸入口是I0.1,也可以單獨(dú)啟動.M3的啟動方式分為自動和手動兩種,輸入口分別是I0.4、I0.5;M3的手動啟動由輸入口I0.6控制.
輸入口I0.7—I2.2是回轉(zhuǎn)工作臺回轉(zhuǎn)部分、動力頭部分.組合機(jī)床工作方式可選為自動運(yùn)轉(zhuǎn)和手動調(diào)試.自動運(yùn)轉(zhuǎn)包括單工位循環(huán)和四工位循環(huán),其輸入口分別是I1.1和I1.2;手動調(diào)試為回轉(zhuǎn)工作臺點(diǎn)動回轉(zhuǎn),其輸入口是I1.3.當(dāng)工作臺運(yùn)動到一定位置時(shí)會壓動限位開關(guān),從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位.
輸入口I2.3—I2.7是動力頭運(yùn)動部分,此部分可實(shí)現(xiàn)動力頭的點(diǎn)動調(diào)試,完成功能有動力頭快進(jìn)、動力頭工進(jìn)、動力頭單循環(huán)、動力頭快退.當(dāng)動力頭到達(dá)指定位置時(shí)會壓動限位開關(guān),從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位.
2.1.2 輸出接口模塊
工作臺和動力頭工作部分:輸出口Q0.0—Q1.0是電磁鐵輸出部分,按動轉(zhuǎn)臺啟動按鈕,相應(yīng)的電磁鐵得電動作,電磁鐵得電后使電磁閥的閥芯動作,從而控制液壓系統(tǒng)油路,實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)工作臺和動力頭的一系列動作.
指示燈部分:輸出口是Q1.1—Q2.3,當(dāng)按鈕按動時(shí),相應(yīng)的指示燈指示按鈕的動作進(jìn)程,對于點(diǎn)動控制的按鈕,按鈕按動時(shí),指示燈亮,松開后燈熄滅.對于連續(xù)動作的按鈕,按動時(shí)燈亮,松開后燈仍然保持亮的狀態(tài),當(dāng)動作結(jié)束時(shí)才會熄滅.
電動機(jī)接觸器部分:輸出口Q2.4—Q2.6為電動機(jī)接觸器部分,當(dāng)電機(jī)啟動按鈕按下時(shí),相應(yīng)的接觸器得電動作,從而啟動主電動機(jī)、液壓泵電動機(jī)和冷卻泵電動機(jī).SB2控制KM1、KM2.SA3單獨(dú)控制KM1,SA4單獨(dú)控制KM2.
PLC控制面板示意圖如圖6所示,按鈕指示電氣元件工作狀態(tài),組合機(jī)床工作分電動機(jī)的啟動、自動運(yùn)行和手動調(diào)試三部分.自動程序運(yùn)行出現(xiàn)問題,機(jī)械結(jié)構(gòu)會自動停車,需要人工手動復(fù)原調(diào)試.
圖6 控制面板示意圖Fig.6 Schematic diagram of control panel
2.2.1 電動機(jī)啟動部分
主電動機(jī)和液壓泵電動機(jī)可以同時(shí)啟動也可以分別由按鈕控制單獨(dú)啟動,并且由指示燈指示其工作狀態(tài),冷卻泵電動機(jī)可以手動啟動也可以自動啟動,并且由指示燈指示其工作狀態(tài).
2.2.2 自動運(yùn)行部分
自動運(yùn)行模塊可分為單工位循環(huán)和四工位循環(huán)兩部分.按動單工位循環(huán)按鈕,指示燈亮,單工位循環(huán)實(shí)現(xiàn)的工作是工作臺回轉(zhuǎn)一個(gè)工位,動力頭動作,完成這一動作后,指示燈熄滅.四工位循環(huán)工作按鈕在工位臺上,工件完成裝卸、鉆孔、擴(kuò)孔和絞孔工序的加工,完成后指示燈熄滅.
2.2.3 手動調(diào)試部分
手動調(diào)試部分主要是為了對機(jī)床進(jìn)行完善,按動回轉(zhuǎn)臺按鈕,回轉(zhuǎn)臺自動完成一個(gè)工位的旋轉(zhuǎn).按動動力頭快進(jìn)工進(jìn)按鈕,可實(shí)現(xiàn)動力頭的點(diǎn)動調(diào)整.按動動力頭快退按鈕,指示燈亮,同時(shí)動力頭快速退回原位,此時(shí)指示燈熄滅.想要調(diào)試動力頭單循環(huán)時(shí),可按動單循環(huán)按鈕,其指示燈亮,動力頭完成快進(jìn)、工進(jìn)、延時(shí)停留、動力頭快退這一系列的工作,完成后動力頭停止工作,此時(shí)指示燈熄滅.
回轉(zhuǎn)臺梯形圖如圖7所示.回轉(zhuǎn)臺的自動循環(huán)為:回轉(zhuǎn)臺抬起→回轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)及緩沖→回轉(zhuǎn)臺反靠→回轉(zhuǎn)臺夾緊→離合器脫開.
圖7 回轉(zhuǎn)臺梯形圖Fig.7 Ladder diagram of rotary table
3.1.1 回轉(zhuǎn)臺微抬
在液壓泵電動機(jī)啟動后,Q2.5閉合,限位開關(guān)ST1被壓動,回轉(zhuǎn)臺才能回轉(zhuǎn),即I1.4閉合.此時(shí)工作臺回轉(zhuǎn)啟動開關(guān)I1.3閉合,啟動中間繼電器M1.7,中間繼電器閉合后Q0.0得電,回轉(zhuǎn)臺微抬.
3.1.2 回轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)及緩沖
當(dāng)動力頭抬起到位時(shí),壓動限位開關(guān)ST5,即I1.5閉合后,Q0.1得電,此時(shí)回轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn);當(dāng)回轉(zhuǎn)到接近定位點(diǎn)時(shí),壓動ST6,即I1.6閉合,此時(shí)啟動中間繼電器M0.6;當(dāng)M0.6的開關(guān)閉合后,Q0.2得電,回轉(zhuǎn)臺低速回轉(zhuǎn).
3.1.3 回轉(zhuǎn)臺反靠
回轉(zhuǎn)臺繼續(xù)回轉(zhuǎn),限位開關(guān)ST6恢復(fù)原位,即I1.6斷開.此時(shí)I0.7得電,觸點(diǎn)打開使Q0.1斷電,同時(shí)使Q0.3得電,回轉(zhuǎn)臺低速反靠到準(zhǔn)確位置.
3.1.4 回轉(zhuǎn)臺夾緊
回轉(zhuǎn)臺反靠靠緊后,壓動限位開關(guān)ST7,即I1.7閉合,使M1.4得電動作,使Q0.4得電,這樣就將回轉(zhuǎn)臺向下壓緊在底座上.當(dāng)回轉(zhuǎn)臺夾緊后,夾緊力達(dá)到一定數(shù)值,使壓力繼電器動作,即I2.0閉合,使中間繼電器M1.5得電動作,其動斷觸點(diǎn)使Q0.2、Q0.3斷電,同時(shí)使Q0.5得電動作,從而使離合器脫開.
3.1.5 離合器脫開
離合器脫開到位時(shí),壓動限位開關(guān)ST8,即I2.1閉合,其動斷觸點(diǎn)斷開,使Q0.2斷電,其動合觸點(diǎn)閉合使Q0.3得電,將使回轉(zhuǎn)液壓泵活塞退為原位.活塞退回原位后,由于杠桿作用,壓動限位開關(guān)ST9,即I2.2閉合.其動斷觸點(diǎn)斷開,完成動作后,繼電器斷電.這樣Q0.5斷電使離合器重新結(jié)合,以備下次轉(zhuǎn)位循環(huán).這樣控制線路都恢復(fù)至原始位置.
動力頭的一個(gè)工作循環(huán)為:動力頭快進(jìn)→動力頭工進(jìn)→延時(shí)停留→動力頭快退.動力頭梯形圖如圖8所示.
圖8 動力頭梯形圖Fig.8 Ladder diagram of power head
3.2.1 動力頭快進(jìn)
當(dāng)液壓泵電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),Q2.5閉合,這是手動調(diào)試功能里的一個(gè)部分,所以啟動調(diào)試旋鈕,即I1.0閉合,按動動力頭單循環(huán)按鈕,啟動中間繼電器M2.2,當(dāng)其得電動作后,M2.2閉合,中間繼電器M1.0得電,其觸點(diǎn)閉合.當(dāng)工作臺在原位時(shí),Q0.6和Q0.7得電,此時(shí)動力頭快進(jìn).
3.2.2 動力頭工進(jìn)
當(dāng)動力頭快進(jìn)到位時(shí),按動限位開關(guān)ST3,即I2.6閉合,中間繼電器M1.1得電動作,其動斷觸點(diǎn)斷開,使Q0.7斷電,此時(shí)動力頭工進(jìn).
3.2.3 延時(shí)停留
當(dāng)動力頭工進(jìn)到位時(shí),壓動限位開關(guān)ST4,即I2.7閉合,時(shí)間繼電器開始工作,2s后動作,其動合開關(guān)閉合,使中間繼電器M1.2動作.
3.2.4 動力頭快退
中間繼電器M1.2得電后,動合觸點(diǎn)閉合,Q1.0得電,使動力頭快速后退,同時(shí)動斷觸點(diǎn)使Q0.6失電.當(dāng)動力頭退回到原位時(shí),壓動限位開關(guān)ST1,即I1.4閉合,動斷觸點(diǎn)切斷電路.
動力頭調(diào)試梯形圖如圖9所示.
圖9 動力頭調(diào)試梯形圖Fig.9 Ladder diagram of power head commissioning
在液壓泵電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后,Q2.5閉合,同時(shí)動力頭的動作是以回轉(zhuǎn)臺退回原位為前提的,所以當(dāng)回轉(zhuǎn)臺在原位置時(shí),I2.2閉合,這一過程為調(diào)試程序,所以I1.0閉合和自動運(yùn)轉(zhuǎn)功能形成互鎖.滿足上述前提時(shí),M1.0得電動作,Q0.6和Q0.7得電,此時(shí)動力頭快速向前運(yùn)動.
當(dāng)動力頭快進(jìn)到指定位置時(shí),壓動限位開關(guān),即I2.6閉合,使中間繼電器M1.1得電動作,其動斷觸點(diǎn)斷開,使Q0.7斷電,此時(shí)動力頭進(jìn)行工進(jìn)動作.
動力頭快退調(diào)試梯形圖如圖10所示,此程序的設(shè)計(jì)主要為方便操作人員對機(jī)床動力頭進(jìn)行調(diào)試控制.當(dāng)液壓泵電動機(jī)工作時(shí),即Q2.5閉合時(shí)動力頭才能工作,這是一個(gè)調(diào)試過程,所以I1.0閉合,與機(jī)床自動運(yùn)行形成互鎖,即I0.7動斷.當(dāng)動力頭快退按鈕I2.4閉合時(shí),中間繼電器M1.2得電動作,同時(shí)動合觸點(diǎn)閉合自鎖,Q1.0得電,動力頭動作,快速后退.當(dāng)退回到原來位置時(shí),壓動限位開關(guān)ST1,即I1.4閉合,中間繼電器M1.2失電,使得Q1.0失電,動力頭停止后退.
圖10 動力頭快退調(diào)試梯形圖Fig.10 Ladder diagram of power head fast rewind commissioning
啟動S7-200 PLC 仿真軟件對本程序進(jìn)行仿真測試,加載相應(yīng)梯形圖程序,仿真啟動后,觀察狀態(tài)窗口,對程序進(jìn)行驗(yàn)證.仿真軟件的界面如圖11所示.
圖11 擴(kuò)展模塊后的仿真界面Fig.11 Simulation interface after module expansion
對所編程序進(jìn)行仿真,檢驗(yàn)是否符合所要達(dá)到的設(shè)計(jì)要求,以下是對典型過程進(jìn)行的仿真.由于文章無法顯示仿真過程視頻,因此對仿真運(yùn)動過程進(jìn)行詳細(xì)說明.
4.2.1 對回轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)進(jìn)行仿真
首先按動I0.1,輸出Q1.3和Q1.4口燈亮,同時(shí)Q2.4和Q2.5口燈亮.按動I1.0和I1.4為工作臺回轉(zhuǎn)做準(zhǔn)備,當(dāng)按動I1.3時(shí),輸出Q0.0和Q2.0口燈亮,此時(shí)扳回I1.3.當(dāng)回轉(zhuǎn)臺抬起到位時(shí),按動I1.5,Q0.1口燈亮,當(dāng)回轉(zhuǎn)接近定點(diǎn)時(shí),按動I1.6,此時(shí)Q0.1和Q0.2口燈亮,回轉(zhuǎn)臺繼續(xù)回轉(zhuǎn),扳回I1.6,Q0.2和Q0.3口燈亮.當(dāng)回轉(zhuǎn)臺反靠到位時(shí),按動I1.7,Q0.3和Q0.4口燈亮,同時(shí)扳回I1.5.當(dāng)回轉(zhuǎn)臺夾緊到位時(shí),按動I2.0,Q0.4和Q0.5口燈亮,當(dāng)離合器脫開到位時(shí),按動I2.1,Q0.3和Q0.4口燈亮,當(dāng)活塞退回到原位置時(shí),按動I2.2,回轉(zhuǎn)臺所有動作的輸出口燈全部熄滅.
4.2.2 動力頭單循環(huán)仿真
首先按動I0.1,輸出Q1.3和Q1.4口燈亮,同時(shí)Q2.4和Q2.5口燈亮.按動I0.4、I1.0和I2.2時(shí)為動力頭的單循環(huán)做準(zhǔn)備.當(dāng)按動I2.5時(shí),輸出口Q0.6、Q0.7和Q2.3口燈亮.當(dāng)動力頭快進(jìn)到位時(shí),按動I2.6,此時(shí)Q0.7燈熄滅,Q2.6口燈亮.當(dāng)動力頭工進(jìn)到位時(shí),按動I2.7,此時(shí)Q2.6口燈熄滅,延時(shí)2s后,Q1.0口燈亮.當(dāng)動力頭退回到原來位置時(shí),壓動I1.4,此時(shí)Q2.3和Q1.0口燈熄滅.
4.2.3 單工位循環(huán)仿真
首先按動I0.1,輸出Q1.3和Q1.4口燈亮,同時(shí)Q2.4和Q2.5口燈亮.按動I0.4、I0.7和I1.4為單工位的循環(huán)仿真做準(zhǔn)備.當(dāng)按動啟動按鈕I1.1時(shí),輸出口Q0.0和Q1.6口燈亮,扳回I1.1后,Q0.0口燈熄滅.當(dāng)回轉(zhuǎn)臺抬起到位時(shí),按動I1.5,Q0.1口燈亮,當(dāng)回轉(zhuǎn)接近定點(diǎn)時(shí),按動I1.6,此時(shí)Q0.1和Q0.2口燈亮.回轉(zhuǎn)臺繼續(xù)回轉(zhuǎn),扳回I1.6,Q0.2和Q0.3口燈亮.當(dāng)回轉(zhuǎn)臺反靠到位時(shí),按動I1.7,Q0.3和Q0.4口燈亮,同時(shí)扳回I1.5.當(dāng)回轉(zhuǎn)臺夾緊到位時(shí),按動I2.0,Q0.4和Q0.5口燈亮.當(dāng)離合器脫開到位時(shí),按動I2.1,Q0.3和Q0.4口燈亮.當(dāng)活塞退回到原位置時(shí),按動I2.2,Q0.6和Q0.7口燈亮起,同時(shí)扳回I1.4.當(dāng)動力頭快進(jìn)到位時(shí),按動I2.6,此時(shí)Q0.7熄滅,Q2.6口燈亮.當(dāng)動力頭工進(jìn)到位時(shí),按動I2.7,此時(shí)Q2.6口燈熄滅,延時(shí)2s后,Q1.0口燈亮.當(dāng)動力頭退回到原來位置時(shí),壓動I1.4,此時(shí)Q1.6和Q1.0口燈熄滅.當(dāng)仿真停止時(shí),按動I0.0,輸出Q1.1口燈亮,同時(shí)Q1.3、Q1.4、Q2.4、Q2.5口燈全部熄滅,此時(shí)扳回I0.0,Q1.1口燈熄滅.
本文采用西門子S7-200型PLC對原有DU型組合機(jī)床電氣系統(tǒng)進(jìn)行改造升級,在對組合機(jī)床進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上,對PLC接口資源進(jìn)行分析與分配以及操作面板的設(shè)計(jì),追加自動運(yùn)行和手動調(diào)試兩個(gè)模塊.最后對所追加的功能進(jìn)行控制系統(tǒng)的編程與仿真.結(jié)果表明:回轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)、動力頭單循環(huán)和單工位循環(huán)均可實(shí)現(xiàn),機(jī)床電氣控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性較高;改造后的機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)四工位組合機(jī)床的自動化生產(chǎn)以及工作人員對機(jī)床的手動便捷調(diào)試.