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 路  程1，溫  杰2，呂  濤2，吳焱明1

（1．合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院，安徽  合肥230009;2．阜陽市飛弘機械有限公司，安徽  阜陽  236028）

摘要：傳統(tǒng)的多孔鏜床操作過程復(fù)雜，自動化程度低，對操作人員的技能要求較高，生產(chǎn)效率低。為此，設(shè)計了多孔鏜床自動控制系統(tǒng)，通過PLC編寫加工程序，利用中斷程序?qū)崿F(xiàn)速度變化的快速響應(yīng)，由伺服電機和交流電機作為執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行動作，采用觸摸屏來設(shè)置參數(shù)、下達指令，通過設(shè)定不同參數(shù)可自動加工不同規(guī)格的減速箱。設(shè)備運行表明：該系統(tǒng)減輕了工人的勞動強度，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時極大地提高了生產(chǎn)效率。

 關(guān)鍵詞：多孔鏜床；自動加工；PLC;控制系統(tǒng)中圖分類號：TP273：TG53

0引言

 隨著社會的發(fā)展，工業(yè)自動化技術(shù)發(fā)展迅速，生產(chǎn)方式發(fā)生巨大變化，企業(yè)對于中小批量生產(chǎn)的零件要求越來越嚴格，對零件的復(fù)雜性和精度要求也越來越高。而傳統(tǒng)的多孔鏜床采用的電氣控制系統(tǒng)接線方式固定，使用起來靈活性差，容易出現(xiàn)線路問題，可靠性不高，很難滿足企業(yè)的生產(chǎn)要求。為此，本文介紹了一種基于PLC的多孔鏜床自動控制系統(tǒng)，利用PLC的可調(diào)整性與觸摸屏的易操作性，實現(xiàn)各種規(guī)格產(chǎn)品的手動調(diào)整和自動加工。

1多孔鏜床工作原理

 多孔鏜床機械系統(tǒng)主要分為兩個部分。第一部分以交流電機為動力，帶動3根相對位置固定的鏜桿旋轉(zhuǎn)；第二部分以伺服電機為動力，通過絲杠帶動鏜桿做軸向進給。本文加工的工件為減速器箱體，需要加工3個孔，最上方孔需要加工出沉頭孔，工件下方突出部分便于工件在機床上定位與夾緊。

 減速器箱體及加工過程如圖1所示。由于3個軸孔加工過程相同，因此只畫出一個軸孔的加工圖。圖1中鏜桿上裝有4把刀具，I刀用于鏜孔的粗加工，Ⅱ刀用于半精加工，Ⅲ刀用于精加工，Ⅳ刀用于鏜沉頭孔。加工過程如下：首先，鏜桿停留在初始點位置，啟動后鏜桿快速進給到靠近箱體前表面位置，隨后鏜桿旋轉(zhuǎn)并且慢速進給，當Ⅲ刀切削完成第一個孔后鏜桿快速進給到第二個孔前表面位置開始加工第二個孔，由于刀距與工件尺寸固定，Ⅲ刀加工結(jié)束后Ⅳ刀已經(jīng)開始加工，當鏜桿到達圖示終點位置，鏜桿保持在此位置上旋轉(zhuǎn)3s后停止，隨后鏜桿快速退出工件至停機位置，回到初始點。

2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

 首先選擇核心部件PLC，計算其需要的輸入與輸出點，其輸入信號包括：鏜桿旋轉(zhuǎn)啟動和停止，自動加工啟動，檔位切換，進給部分的點進、點退、快進、快退、急停，以及原點、正負極限位置檢測和伺服報警。其輸出信號包括交流電機的動力電源、伺服電機的動力電

源、脈沖和方向信號、運行和報警指示燈等。在考慮不同型號的性價比后，最終選擇臺達EH3系列的PLC。圖2為多孔鏜床控制系統(tǒng)框圖，其中開關(guān)按鈕、傳感器、觸摸屏和伺服驅(qū)動器連接PLC輸入點，PLC接收到輸入信號后通過內(nèi)部程序分別控制指示燈、交流電機、伺服驅(qū)動器運行并將運行時的數(shù)據(jù)實時顯示在觸摸屏中。

3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計包括兩部分：觸摸屏界面設(shè)計和PLC程序設(shè)計。首先要對觸摸屏界面進行設(shè)計，由于觸摸屏與PLC有信息的交換，因此觸摸屏上要設(shè)計按鈕、數(shù)據(jù)框與指示燈等。開關(guān)按鈕主要用來控制各電機動作，狀態(tài)顯示燈用來顯示當前運行狀態(tài)，數(shù)據(jù)輸入和顯示框分別用來輸入控制數(shù)據(jù)和實時顯示電機運動位置，各界面的切換通過界面切換按鈕來實現(xiàn)。其次對PLC程序進行設(shè)計，PLC程序設(shè)計運用模塊化結(jié)構(gòu)思想，不同模塊具有不同功能，便于設(shè)計者后期修改。多孔鏜床控制系統(tǒng)分為5個功能模塊，如圖3所示。

 為保證控制系統(tǒng)的可靠性，在進行PLC程序設(shè)計時需要考慮模塊間的邏輯互鎖，例如自動運行時不能手動操作等，從而保證加工過程中無論操作是否失誤、模塊間如何切換，也不會導致工件及設(shè)備的損壞。

 (1)自動運行模塊：開機以后，首先要運行初始化，系統(tǒng)會根據(jù)原點信號確定原點的位置，從而建立坐標系，操作人員輸入工件參數(shù)并確保無誤后只要按下“啟動”按鈕，系統(tǒng)即可自動完成加工流程。自動運行程序編程思想如下：當操作人員按下“啟動”按鈕，進入快進1狀態(tài)，根據(jù)參數(shù)計算出各階段相應(yīng)變速位置，鏜桿按照觸摸屏中輸入的快進1速度進給，當?shù)竭_快進1轉(zhuǎn)工進1變速位置時，鏜桿旋轉(zhuǎn)并且按照工進1速度進給，當?shù)竭_工進1轉(zhuǎn)快進2變速位置時，鏜桿停止旋轉(zhuǎn)并且按照快進2速度進給，后面的階段以此類推。由于工件尺寸和刀距的關(guān)系，當工進2完成Ⅲ刀加工后，工進3階段的Ⅳ刀已經(jīng)開始加工，當工進3結(jié)束時進入快退階段，鏜桿按照快退速度退回原點位置。速度變換流程如圖4所示。主程序中設(shè)計有中斷變速程序，系統(tǒng)每隔一段周期掃描一次中斷程序，當自動運行程序執(zhí)行時，到達某一個變速位置，中斷程序快速響應(yīng)，進給速度變化。圖4中設(shè)置快進速度一致，工進速度一致，實際工作時可以修改觸摸屏中參數(shù)來改變各階段的速度。

 (2)手動操作模塊：該模式主要用于手動調(diào)整鏜桿位置時使用，分別對伺服電機、交流電機進行控制，如：可以設(shè)定鏜桿的進給速度，通過觸摸屏上設(shè)定的前進或后退按鈕實現(xiàn)鏜桿的進給，通過旋轉(zhuǎn)與停止按鈕實現(xiàn)鏜桿的旋轉(zhuǎn)控制。在該模式下，操作人員可以根據(jù)加工流程以及各加工位置的計算手動分步驟完成加工流程。

 (3)參數(shù)設(shè)置模塊：操作者可以通過此模塊設(shè)定型號參數(shù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)。針對30種不同產(chǎn)品，可設(shè)定或更改產(chǎn)品的型號參數(shù)，如減速箱長度、沉頭孔深度等；可設(shè)定系統(tǒng)數(shù)據(jù)，如伺服電機的停機位置與快進、快退速度等。另外為了防止操作者誤改參數(shù)與數(shù)據(jù)，只有點擊界面上“修改”鍵并按下“確認”鍵才能成功。

 (4)產(chǎn)品選型模塊：由于減速箱不是單一型號的，需要更換不同規(guī)格的減速箱，操作人員輸入將要操作的減速箱型號，按下界面上的“確認”按鈕，此時程序?qū)⒄{(diào)用該型號所對應(yīng)的所有系統(tǒng)參數(shù)，并將一些重要的參數(shù)顯示在界面上，以便操作人員核對調(diào)用的參數(shù)是否正確。這樣便實現(xiàn)對不同規(guī)格的減速箱進行鏜孔操作，從而提高了該設(shè)備的通用性。

 (5)故障報警模塊：當鏜桿在移動過程中超出安全位置時（如碰到正、負極限位置開關(guān)），或者操作者按下急停時，蜂鳴器都將發(fā)出聲光警報，同時觸摸屏上彈出窗口顯示報警信息。

4結(jié)束語

 通過對PLC程序的模塊化設(shè)計實現(xiàn)了多孔鏜床的手動調(diào)整和自動運行，控制系統(tǒng)軟件采用模塊化編程思想，強化了系統(tǒng)的可靠性；觸摸屏的應(yīng)用提高了系統(tǒng)的可操作性；使用伺服電機保證定位精度并且控制轉(zhuǎn)速，能夠精確控制設(shè)備的運行；可通過設(shè)定減速箱的參數(shù)來加工不同型號的減速箱，使用途更加廣泛。使用舊機床加工到達變速位置需要人工觀察變速，并且在加工沉頭孔時需要對刀，不能保證加工精度，而該系統(tǒng)鏜孔可一次成型，且不需要確定位置，降低了其操作工的技能要求，排除了人為誤差，使得進刀更為精確，實現(xiàn)了多孔鏜床的自動化生產(chǎn)。該設(shè)備經(jīng)過一段時間的使用，能夠穩(wěn)定運行，加工一個工件從30 min以上降到15 min，大大提高了生產(chǎn)效率，降低了勞動強度。