PLC(可編程邏輯控制器)在組合機(jī)床控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 2

1、PLC在合機(jī)組床控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 摘 要組合機(jī)床是集機(jī)電于一體的綜合自動(dòng)化程度較高的制造技術(shù)和成套工藝裝備。它的特征是高效、高質(zhì)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，因而被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、交通、能源、軍工、輕工、家電等行業(yè)。我國傳統(tǒng)的組合機(jī)床主要采用機(jī)、電、氣、液壓控制，其精度低，可靠性不高，已不適合社會(huì)發(fā)展需要。隨著PLC控制技術(shù)的迅速發(fā)展，以PLC為核心的組合機(jī)床控制系統(tǒng)已凸顯出其優(yōu)勢.本文以兩工位鉆孔攻鏍組合機(jī)床為研究對象,通過對主要結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)形式的探究以及對機(jī)床的工作過程和控制要求分析，給出了機(jī)床動(dòng)作循環(huán)圖，并采用PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法, 進(jìn)行了軟硬件設(shè)計(jì)，列出了PLC的I/O地址分配表，繪制了PLC的I

2、/O分配圖和單循環(huán)自動(dòng)工作流程圖，編寫PLC控制程序的梯形圖和指令表；由iFIX設(shè)計(jì)的人機(jī)界面（HMI），使整個(gè)控制系統(tǒng)的操作變得簡單方便，大大提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和實(shí)用性。關(guān)鍵詞 組合機(jī)床 可編程邏輯控制器 控制系統(tǒng) 程序設(shè)計(jì) 目 錄PLC在合機(jī)組床控制系統(tǒng)中的應(yīng)用I1 引言I2 組合機(jī)床控制系統(tǒng)的系統(tǒng)分析32.1 組合機(jī)床控制系統(tǒng)的特點(diǎn)32.2 組合機(jī)床常見的幾種控制方式32.3 組合機(jī)床控制系統(tǒng)的選擇43 組合機(jī)床PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)73.1 組合機(jī)床控制系統(tǒng)工作過程73.2 PLC的硬件選型83.3 I/O端子的地址分配93.4 控制系統(tǒng)PLC的外圍電氣接線104 組合機(jī)床PLC

3、控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)124.1 PLC程序設(shè)計(jì)思想124.2 組合機(jī)床控制系統(tǒng)的功能流程圖124.3 組合機(jī)床控制系統(tǒng)的軟件整體設(shè)計(jì)134.3.1 原位指示程序144.3.2 鉆孔加工程序154.3.3 攻螺紋程序154.3.4 自動(dòng)循環(huán)控制和手動(dòng)控制的轉(zhuǎn)換程序165 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)185.1 組態(tài)軟件iFIX的簡介185.2 系統(tǒng)環(huán)境的選取185.3 組態(tài)界面的設(shè)計(jì)195.4 仿真運(yùn)行情況19參考文獻(xiàn)22附 錄231.1 引言組合機(jī)床一般采用多軸、多刀、多工序、多面或多工位同時(shí)加工的方式，生產(chǎn)效率比通用機(jī)床高幾倍至幾十倍。由于通用部件已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，可根據(jù)需要靈活配置，能縮短設(shè)計(jì)和制造周期。

4、因此，組合機(jī)床兼有低成本和高效率的優(yōu)點(diǎn)，在大批、大量生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，并可用以組成自動(dòng)生產(chǎn)線。組合機(jī)床以系列化和標(biāo)準(zhǔn)化的通用部件為基礎(chǔ)，配以少量專用部件對一種或多種工件按預(yù)先確定的工序進(jìn)行切削加工的機(jī)床。兼有萬能機(jī)床和專用機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)。通用零部件通常占整個(gè)機(jī)床零部件的70%90%,只需要根據(jù)被加工零件的形狀及工藝改變極少量的專用部件就可以部分或全部進(jìn)行改裝，從而組成適應(yīng)新的加工要求的設(shè)備。由于在組合機(jī)床上可以同時(shí)從幾上方向采用多把刀具對一個(gè)或數(shù)個(gè)工件進(jìn)行加工，所以可減少物料的搬運(yùn)和占地面積，實(shí)現(xiàn)工序集中，改善勞動(dòng)條件，提高生產(chǎn)效率和降低成本 高安邦. 新編機(jī)床電氣與PLC控制技術(shù)M.北京：機(jī)械

5、工業(yè)出版社，2008.。將多臺(tái)組合機(jī)床聯(lián)在一起，就成為自動(dòng)生產(chǎn)線。組合機(jī)床廣泛應(yīng)用于需大批量生產(chǎn)的零部件，如汽車等行業(yè)中的箱體等。另外在中小批量生產(chǎn)中也可應(yīng)用成組技術(shù)將結(jié)構(gòu)和工藝相似的零件歸并在一起，以便集中在組合機(jī)床上進(jìn)行加工。1.2 國內(nèi)外組合機(jī)床的研究現(xiàn)狀及其實(shí)際意義20世紀(jì)70年代以來，隨著可轉(zhuǎn)位刀具、密齒銑刀、鏜孔尺寸自動(dòng)檢測和刀具自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展，組合機(jī)床的加工精度也有所提高。銑削平面的平面度可達(dá)0.05毫米/1000毫米，表面粗糙度可低達(dá)2.50.63微米；鏜孔精度可達(dá)IT76級，孔距精度可達(dá)0.030.02微米。最早的組合機(jī)床是1911年在美國制成的，用于加工汽車零件。初期，

6、各機(jī)床制造廠都有各自的通用部件標(biāo)準(zhǔn)。為了提高不同制造廠的通用部件的互換性，便于用戶使用和維修，1953年美國福特汽車公司和通用汽車公司與美國機(jī)床制造廠協(xié)商，確定了組合機(jī)床通用部件標(biāo)準(zhǔn)化的原則，即嚴(yán)格規(guī)定各部件間的聯(lián)系尺寸，但對部件結(jié)構(gòu)未作規(guī)定。在我國，組合機(jī)床發(fā)展已有28年的歷史，其科研和生產(chǎn)都具有相當(dāng)?shù)幕A(chǔ)，應(yīng)用也已深入到很多行業(yè)。是當(dāng)前機(jī)械制造業(yè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品更新，進(jìn)行技術(shù)改造，提高生產(chǎn)效率和高速發(fā)展必不可少的設(shè)備之一。從2002年年底第21屆日本國際機(jī)床博覽會(huì)上獲悉，在來自世界10多個(gè)國家和地區(qū)的500多家機(jī)床制造商和團(tuán)體展示的最先進(jìn)機(jī)床設(shè)備中，超高速和超高精度加工技術(shù)裝備與復(fù)合、多功能、多軸

7、化控制設(shè)備等深受歡迎。該屆博覽會(huì)上展出的加工中心，主軸轉(zhuǎn)速1000020000r/min，最高進(jìn)給速度可達(dá)2060m/min；復(fù)合、多功能、多軸化控制裝備的前景亦被看好。在零部件一體化程度不斷提高、數(shù)量減少的同時(shí)，加工的形狀卻日益復(fù)雜。根據(jù)我國當(dāng)前的情況，繼電器-接觸器控制系統(tǒng)依然是機(jī)械設(shè)備最常用的電氣控制方式，許多企業(yè)和高校實(shí)習(xí)工廠的機(jī)床和設(shè)備仍采用傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制系統(tǒng),由于采用物理電子器件和大量而又復(fù)雜的硬接線,使得系統(tǒng)的可靠性差,工作效率低,故障診斷和排除困難,嚴(yán)重影響了工廠的生產(chǎn)效率 阮友德.電器控制與PLC實(shí)訓(xùn)教材M.北京：人民郵電出版社，2006.。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，可編程

8、控制器的出現(xiàn)，許多以繼電器-接觸器控制系統(tǒng)的機(jī)床組合電路通過改進(jìn)，采用可編程控制系統(tǒng)，無論在性能上或者效率上都能得到很大提升。可編程邏輯控制器(PLC)是以微處理器為核心的通用工業(yè)控制裝置,它將傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)緊密結(jié)合 ,集計(jì)算機(jī)、控制、通訊于一體,具有可靠性高、通用性強(qiáng)、應(yīng)用靈活、易于使用 維修方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn),為工業(yè)自動(dòng)化提供了近乎完美的自動(dòng)控制裝置。因此,采用PLC對機(jī)床電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造,很有益處 熊幸明基于PLC的雙面鉆孔組合機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)J機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2006(2)：77-78。1.3 本課題研究的主要內(nèi)容組合機(jī)床是以通用部件為基礎(chǔ)，配以按

9、工件特定形狀和加工工藝設(shè)計(jì)的專用部件和夾具，組成的半自動(dòng)或自動(dòng)專用機(jī)床。組合機(jī)床的控制早期以電氣繼電控制為主，通過繼電器實(shí)現(xiàn)控制的邏輯關(guān)系。本課題是采用PLC取代傳統(tǒng)繼電控制回路來實(shí)現(xiàn)組合機(jī)床的控制完成常用的鉆孔、攻螺紋等操作，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)應(yīng)科學(xué)合理，運(yùn)行穩(wěn)定。同時(shí)需利用觸摸屏組態(tài)軟件對組合機(jī)床進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。2 組合機(jī)床控制系統(tǒng)的系統(tǒng)分析2.1 組合機(jī)床控制系統(tǒng)的特點(diǎn)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)工藝不斷提出新的要求，機(jī)床電氣控制裝置也不斷更新。在控制方法上主要從手動(dòng)控制到自動(dòng)控制；在控制功能上，是從簡單到復(fù)雜；在操作上由笨重到輕松，從控制原理上，由單一的有觸點(diǎn)硬接線繼電器控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)為以微處理器為中

10、心的軟件控制系統(tǒng) 張?bào)沌?機(jī)電設(shè)備控制基礎(chǔ)M.北京：中國人大出版社,2000.。為了實(shí)現(xiàn)被控對象(生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過程)的工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。組合機(jī)床的控制系統(tǒng)必須具備以下4個(gè)原則 何曉燕，趙軻多工位組合機(jī)床PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)J機(jī)械程工與自動(dòng)化2007(10)：162-164：(1)完整性原則最大限度的滿足工業(yè)生產(chǎn)過程或機(jī)械設(shè)備的控制要求。(2)可靠性原則確保組合機(jī)床控制系統(tǒng)的可靠性。(3)經(jīng)濟(jì)型原則力求控制系統(tǒng)簡單、實(shí)用、合理。(4)發(fā)展性原則適當(dāng)考慮生產(chǎn)發(fā)展和工藝改進(jìn)的需要。2.2 組合機(jī)床常見的幾種控制方式組合機(jī)床的電氣控制理論上講可以采用繼電器接觸器電氣控制系統(tǒng)，單片機(jī)控

11、制系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。1. 繼電器-接觸器控制系統(tǒng)繼電器-接觸器控制系統(tǒng)自上世紀(jì)二十年代問世以來，一直是機(jī)電控制的主流。由于它的結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價(jià)格低廉，所以使用廣泛。繼電接觸式控制系統(tǒng)采用硬接線邏輯，它利用繼電器等的觸電串聯(lián)、并聯(lián)、串并聯(lián)，利用時(shí)間繼電器的延時(shí)動(dòng)作等組合或控制邏輯。繼電器接觸式控制系統(tǒng)的控制邏輯是依靠觸電的動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)的，觸點(diǎn)的開閉動(dòng)作一般是幾十毫秒數(shù)量級。其定時(shí)控制利用時(shí)間繼電器的延時(shí)動(dòng)作來進(jìn)行 王仁祥.常用低壓電器原理及其控制技術(shù)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.。在上世紀(jì)的20年代到30年代，借助繼電器、接觸器、按鈕和行程開關(guān)等組成繼電器-接觸器控制系統(tǒng)，實(shí)

12、現(xiàn)對機(jī)床的啟動(dòng)、停車、有級調(diào)速等控制。繼電器-接觸器控制的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、維護(hù)方便、抗干擾性能力強(qiáng)。因此廣泛應(yīng)用于各類機(jī)床和機(jī)械設(shè)備 周軍電氣控制及PLCM北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.。目前，在我國繼電器接觸器控制仍然是機(jī)床和其它機(jī)械設(shè)備最基本的電氣控制形式之一。2. 單片機(jī)控制系統(tǒng)隨著材料科學(xué)、工藝技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，電路系統(tǒng)向著集成度極高的方向發(fā)展。CPU的生產(chǎn)制造技術(shù)，也朝著綜合性、技術(shù)性、實(shí)用性發(fā)展。單片機(jī)控制系統(tǒng)是以單片機(jī)（CPU）為核心部件，擴(kuò)展一些外部接口和設(shè)備，組成單片機(jī)工業(yè)控制機(jī)，單片機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，價(jià)格比較便宜等優(yōu)點(diǎn)，因此在數(shù)據(jù)采集和工業(yè)

13、控制中得到了廣泛的應(yīng)用。3. PLC控制系統(tǒng)在70年代出現(xiàn)了用軟件手段來實(shí)現(xiàn)各種控制功能，以微處理器為核心的新興工業(yè)控制器可編程程序控制器（PLC）。這種器件完全能夠適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境，由于它兼?zhèn)淞擞?jì)算機(jī)控制和繼電器-接觸器控制兩方面的優(yōu)點(diǎn)，故目前世界各國將其作為一種標(biāo)準(zhǔn)化通用設(shè)備普遍應(yīng)用于工業(yè)控制 張桂香. 電氣控制與PLC應(yīng)用M. 北京：化工工業(yè)出版社，2006.。PLC采用存儲(chǔ)邏輯。它除了輸入端和輸出端要與現(xiàn)場連線以外，而控制邏輯是以程序的方式存儲(chǔ)在PLC的內(nèi)存當(dāng)中。若控制邏輯復(fù)雜時(shí)，則程序會(huì)長一些，輸入輸出的連線并不多。若需要對控制邏輯進(jìn)行修改時(shí)，只要修改程序便可，而輸入輸出的連接線改

14、動(dòng)不多，并且也容易改動(dòng) A. Rullan, Programmable logic controllers versus personal computers for process control J， Computers and industrial Engineering, 1997,33:421-424.。PLC是由程序指令控制半導(dǎo)體電路來實(shí)現(xiàn)控制的，速度很快。通常，一條用戶指令的執(zhí)行時(shí)間在微秒數(shù)量級。PLC采用微電子技術(shù)，大量的開關(guān)動(dòng)作由無觸點(diǎn)的半導(dǎo)體電路來完成，可靠性高。PLC還配備了自檢和監(jiān)控功能，能自診斷出自身的故障，并隨時(shí)顯示給操作人員，還能動(dòng)態(tài)的監(jiān)視控制程序的執(zhí)行情況，為現(xiàn)

15、場調(diào)試和維護(hù)了方便。2.3 組合機(jī)床控制系統(tǒng)的選擇在實(shí)際工程中往往選擇一種經(jīng)濟(jì)、有效、性能優(yōu)越的控制方案，考慮到上述幾點(diǎn)，采用PLC控制系統(tǒng)較適合組合機(jī)床的電氣控制。PLC控制系統(tǒng)與單片機(jī)控制系統(tǒng)、繼電器-接觸器控制系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)點(diǎn) 鄧昌奇，張航基于PLC的組合機(jī)床控制技術(shù)J機(jī)械與電子,2008(6)：73-74.：1. PLC控制系統(tǒng)與繼電器-接觸器控制系統(tǒng)相比較(1) 控制邏輯繼電接觸式控制系統(tǒng)采用硬接線邏輯，它利用繼電器等的觸點(diǎn)串聯(lián)、并聯(lián)、串并聯(lián)，利用時(shí)間繼電器的延時(shí)動(dòng)作等組合或控制邏輯，連線復(fù)雜、體積大、功耗也大。當(dāng)一個(gè)電氣控制系統(tǒng)研制完后，要想再做修改都要隨著現(xiàn)場接線的改動(dòng)而改動(dòng)

16、。特別是想要能夠增加一些邏輯時(shí)就更加困難了，這都是硬接線的緣故。所以，繼電器-接觸器控制系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性較差?？删幊炭刂破鞑捎么鎯?chǔ)邏輯。它除了輸入端和輸出端要與現(xiàn)場連線以外，而控制邏輯是以程序的方式存儲(chǔ)在PLC的內(nèi)存當(dāng)中。若控制邏輯復(fù)雜時(shí)，則程序會(huì)長一些，輸入輸出的連線并不多。若需要對控制邏輯進(jìn)行修改時(shí)，只要修改程序就行了，而輸入輸出的連接線改動(dòng)不多，并且也容易改動(dòng)，因此，PLC的靈活性和擴(kuò)展性強(qiáng)。而且PLC是由中大規(guī)模集成電路組裝成的，因此，功耗小，體積小。(2) 控制速度繼電器-接觸器控制系統(tǒng)的控制邏輯是依靠觸點(diǎn)的動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)的，工作頻率低。觸點(diǎn)的開閉動(dòng)作一般是幾十毫秒數(shù)量級。而且使用的

17、繼電器越多，反映的速度越慢，還是容易出現(xiàn)觸點(diǎn)抖動(dòng)和觸點(diǎn)拉弧問題。而可編程控制器是由程序指令控制半導(dǎo)體電路來實(shí)現(xiàn)控制的，速度相當(dāng)快。通常，一條用戶指令的執(zhí)行時(shí)間在微秒數(shù)量級。由于PLC內(nèi)部有嚴(yán)格的同步，不會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)問題，更不會(huì)出現(xiàn)觸點(diǎn)拉弧問題。(3) 定時(shí)控制和計(jì)數(shù)控制：繼電器-接觸器控制系統(tǒng)利用時(shí)間繼電器的延時(shí)動(dòng)作來進(jìn)行定時(shí)控制。用時(shí)間繼電器實(shí)現(xiàn)定時(shí)控制會(huì)出現(xiàn)定時(shí)的精度不高，定時(shí)時(shí)間易受環(huán)境的濕度和溫度變化而影響。有些特殊的時(shí)間繼電器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)不方便。而可編程程序控制器使用半導(dǎo)體集成電路作為定時(shí)器，時(shí)基脈沖由晶體震蕩器產(chǎn)生，精度相當(dāng)高并且定時(shí)時(shí)間長，定時(shí)范圍廣。(4) 可靠性和維護(hù)性。繼電

18、器-接觸器控制系統(tǒng)使用了大量的機(jī)械觸點(diǎn)，連線也多。觸點(diǎn)在開閉時(shí)會(huì)受到電弧的損壞，壽命短。因而可靠性和維護(hù)性差。PLC采用微電子技術(shù)，大量的開關(guān)動(dòng)作由無觸點(diǎn)的半導(dǎo)體電路來完成，可靠性高。PLC還配備了自檢和監(jiān)控功能，能自診斷出自身的故障，并隨時(shí)顯示給操作人員，還能動(dòng)態(tài)的監(jiān)視控制程序的執(zhí)行情況，為現(xiàn)場調(diào)試和維護(hù)提供了方便 Dougall. Applications and benefits of real-time I/O simulation for PLC and PC control systems J, ISA Transactions，2007, 36 (4):305-311.?？傊琍

19、LC在性能上均優(yōu)越于繼電器-接觸器控制系統(tǒng)，特別是控制速度快，可靠性高，設(shè)計(jì)施工周期短，調(diào)試方便，控制邏輯修改方便，而且體積小，功耗低。2PLC控制系統(tǒng)與單片機(jī)控制系統(tǒng)比較單片機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，價(jià)格比較便宜等優(yōu)點(diǎn)，一般用于數(shù)據(jù)采集和工業(yè)控制。但是，單片機(jī)不是專門針對工業(yè)現(xiàn)場的自動(dòng)化控制而設(shè)計(jì)的，所以它與PLC比較起來有以下缺點(diǎn)：(1) 單片機(jī)不如PLC容易掌握使用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，一般要使用微處理器的匯編語言編程。這就要求設(shè)計(jì)人員要有一定的計(jì)算機(jī)硬件和軟件知識(shí)。對于那些只熟悉機(jī)電控制的技術(shù)人員來說，需要進(jìn)行相當(dāng)長一段時(shí)間系統(tǒng)地學(xué)習(xí)單片機(jī)的知識(shí)才能掌握。而PLC采用了面向操作者的語言

20、編程，如梯形圖、狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖等，對于使用者來說，無需了解復(fù)雜的計(jì)算機(jī)知識(shí)，而只要用較短時(shí)間去熟悉PLC的簡單指令系統(tǒng)及操作方法，就可以使用和編程。(2) 單片機(jī)不如PLC使用簡單使用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，一般要在輸入輸出接口上做大量的工作。例如，要考慮工程現(xiàn)場與單片機(jī)的連接，輸出帶負(fù)載能力、接口的擴(kuò)展，接口的工作方式等。除了要進(jìn)行控制程序的設(shè)計(jì)，還要在單片機(jī)的外圍進(jìn)行很多硬件和軟件工作，才能與控制現(xiàn)場連接起來，調(diào)試也較繁瑣。而PLC的輸入/輸出接口已經(jīng)做好，輸入接口可以與無外接電源的開關(guān)直接連接，非常方便。輸出接口具有一定的驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力，能適應(yīng)一般的控制要求。而且，在輸入接口、輸出接口，由光電耦

21、合器件，使現(xiàn)場的干擾信號(hào)不容易進(jìn)入PLC C. P. Chuang, X. Lan, J. C. Chen. A systematic procedure for designing state combination circuits in PLCs J, Journal of Industrial Technology, 1999,15(3):2-5.。(3) 單片機(jī)不如PLC可靠使用單片機(jī)進(jìn)行工業(yè)控制，突出的問題就是抗干擾性能較差。而PLC是專門用于工程現(xiàn)場環(huán)境中的自動(dòng)控制，在設(shè)計(jì)和制造過程中采取了抗干擾性措施，穩(wěn)定性和可靠性較高。通過上面的比較，針對組合機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)，雖然PLC的

22、價(jià)格高一些，但良好的穩(wěn)定性和高度的可靠性可確保機(jī)床在加工零件時(shí)的精度，所以決定采用PLC控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。3 組合機(jī)床PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)兩工位鉆孔、攻螺紋組合機(jī)床，能自動(dòng)完成工件的鉆孔和攻螺紋加工，自動(dòng)化程度高，生產(chǎn)效率高。兩工位鉆孔、攻螺紋組合機(jī)床如圖3-1所示。圖3-1 兩工位鉆孔、攻螺紋組合機(jī)床示意圖機(jī)床主要有床身、移動(dòng)工作臺(tái)、夾具、鉆孔滑臺(tái)、鉆孔動(dòng)力頭、攻螺紋滑臺(tái)、攻螺紋動(dòng)力頭、滑臺(tái)移動(dòng)控制凸輪和液壓系統(tǒng)等組成。移動(dòng)工作臺(tái)和夾具用以完成工件的移動(dòng)和夾緊，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加工。鉆孔滑臺(tái)和鉆孔動(dòng)力頭，用以實(shí)現(xiàn)鉆孔加工量的調(diào)整和鉆孔加工。攻螺紋滑臺(tái)和攻螺紋動(dòng)力頭，用以實(shí)現(xiàn)攻螺紋加工量的調(diào)整和攻螺

23、紋加工。工作臺(tái)的移動(dòng)（左移、右移），夾具的夾緊、放松，鉆孔滑臺(tái)和攻螺紋滑臺(tái)的移動(dòng)（前移、后移），均有液壓控制系統(tǒng)控制。其中兩個(gè)滑臺(tái)移動(dòng)的液壓系統(tǒng)由滑臺(tái)移動(dòng)控制凸輪來控制，工作臺(tái)的移動(dòng)和夾具的夾緊與放松由電磁閥控制。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，工作臺(tái)的移動(dòng)和滑臺(tái)的移動(dòng)應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)定的時(shí)序同步進(jìn)行，兩種運(yùn)動(dòng)密切配合，以提高生產(chǎn)效率。3.1 組合機(jī)床控制系統(tǒng)工作過程系統(tǒng)通電之后，自動(dòng)起動(dòng)液壓泵電動(dòng)機(jī)M1。若機(jī)床各部分在原位（工作臺(tái)在鉆孔工位SQ1動(dòng)作，鉆孔滑臺(tái)在原位SQ2動(dòng)作，攻螺紋滑臺(tái)在SQ3動(dòng)作），并且液壓系統(tǒng)壓力正常，壓力繼電器PV動(dòng)作，原位指示燈HL1亮。將工件放在工作臺(tái)上，按下啟動(dòng)按鈕SB，夾緊電磁閥Y

24、V1得電，液壓系統(tǒng)控制夾具將工件夾緊，與此同時(shí)控制凸輪電動(dòng)機(jī)M2得電運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)夾緊限位SQ4動(dòng)作后，表明工件已被夾緊。起動(dòng)鉆孔動(dòng)力頭電動(dòng)機(jī)M3，且由于凸輪電動(dòng)機(jī)M2運(yùn)轉(zhuǎn)，控制凸輪控制相應(yīng)的液壓閥使鉆孔滑臺(tái)前移，進(jìn)行鉆孔加工。當(dāng)鉆孔滑臺(tái)到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，鉆孔滑臺(tái)自動(dòng)后退，到原位時(shí)停，M3同時(shí)停止。等到鉆孔滑臺(tái)回到原位后，工作臺(tái)右移電磁閥YV2得電，液壓系統(tǒng)使工作臺(tái)右移，當(dāng)工作臺(tái)移到攻螺紋工位時(shí)，限位開關(guān)SQ6動(dòng)作，工作臺(tái)停止。起動(dòng)攻螺紋動(dòng)力頭電動(dòng)機(jī)M4正轉(zhuǎn)，攻螺紋滑臺(tái)開始前移，進(jìn)行攻螺紋加工，當(dāng)攻螺紋滑臺(tái)到達(dá)終點(diǎn)時(shí)（終點(diǎn)限位SQ7動(dòng)作），制動(dòng)電磁鐵DL得電，攻螺紋動(dòng)力頭制動(dòng)，0.3秒后攻螺紋動(dòng)力頭電機(jī)M

25、4反轉(zhuǎn)，同時(shí)攻螺紋滑臺(tái)由控制凸輪控制使其自動(dòng)后退。當(dāng)攻螺紋滑臺(tái)后退到原位時(shí)，攻螺紋動(dòng)力頭電機(jī)M4停，凸輪正好運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)周期，凸輪電機(jī)M2停，延時(shí)3秒后，左移電磁閥YV3得電，工作臺(tái)左移，到鉆孔工位時(shí)停。放松電磁閥YV4得電，放松工件，放松限位SQ8動(dòng)作后，停止放松。原位指示燈亮，取下工件，加工過曾完成。兩個(gè)滑臺(tái)的移動(dòng)，是通過控制凸輪來控制滑臺(tái)移動(dòng)液壓系統(tǒng)的液壓閥實(shí)現(xiàn)的，電氣系統(tǒng)不參與，只需起動(dòng)控制凸輪電機(jī)M2即可。加工過程中，應(yīng)起動(dòng)冷卻泵電機(jī)M5，供給冷卻液。3.2 PLC的硬件選型合理選擇PLC的型號(hào)，對于提高PLC控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)起著重要作用。選擇機(jī)型的基本原則是在功能滿足要求的前提下

26、，保證可靠，維護(hù)使用方便以及最佳功能價(jià)格比。（1） 結(jié)構(gòu)選擇PLC主要有整體式和模塊式。整體式PLC：整體式PLC的每一個(gè)點(diǎn)的平均價(jià)格比模塊式的便宜，且體積相對小，一般用于系統(tǒng)工藝過程較為固定，環(huán)境條件較好，維修量較小的小型控制系統(tǒng)中。模塊式PLC：模塊式PLC功能擴(kuò)展靈活方便。在點(diǎn)數(shù)上，輸入點(diǎn)數(shù)，輸出點(diǎn)數(shù)的比例，模塊的種類方面選擇余地大，且維修方便，一般用于較復(fù)雜的控制系統(tǒng)。對于組合機(jī)床，選用整體式PLC較好。（2） I/O點(diǎn)選取原則PLC平均的I/O點(diǎn)價(jià)格比較高，因此應(yīng)該合理選用PLC的I/O點(diǎn)數(shù)量，在滿足控制要求的前提下力爭使用的I/O點(diǎn)最少，但必須留有一定余量。通常I/O點(diǎn)數(shù)是根據(jù)被控

27、制對象的輸入輸出信號(hào)的實(shí)際需要，再加上10%-20%的余量來確定 王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.。 （3） 確定PLC機(jī)型及擴(kuò)展模塊。根據(jù)（1）（2）及實(shí)際PLC機(jī)型點(diǎn)數(shù)，本系統(tǒng)采用西門子公司的S7200 系列的主控模塊CPU226 和數(shù)字量輸入擴(kuò)展模塊EM221，8點(diǎn)DC 輸入( 8×24 V/DC) 。CPU226 集成24 輸入/16 輸出共40個(gè)數(shù)字量I/O 點(diǎn)。可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248個(gè)數(shù)字量I/O 點(diǎn)或35 路模擬量I/O 點(diǎn) 西門子公司.SIMATIC S7-200可編程序控制器系統(tǒng)手冊.2004.6.。26

28、K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力，更快的運(yùn)行速度和功能更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能?？赏耆m應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。不但滿足本設(shè)計(jì)中的輸入輸出點(diǎn)數(shù)的基本要求，而且為日后本機(jī)床控制系統(tǒng)的升級改造保留有一定的系統(tǒng)擴(kuò)展空間。3.3 I/O端子的地址分配該組合機(jī)床控制系統(tǒng)共用了10個(gè)輸入量，15個(gè)輸出量。其I/O具體分配如表3-1所列。表3-1 輸入/輸出地址分配表輸入點(diǎn)輸出點(diǎn)端子編號(hào)作 用端子編號(hào)作 用I0.0壓力檢測PVQ1.4原點(diǎn)指示HL1I0.1鉆孔工位限位SQ1Q0.1液壓泵電機(jī)M1（KM1）I0.2鉆孔滑臺(tái)原位SQ2Q0.2凸輪電機(jī)M2（KM2）I

29、0.3攻螺紋滑臺(tái)原位SQ3Q0.3鉆孔動(dòng)力頭電機(jī)M3（KM3）I0.4夾緊限位SQ4Q0.4冷卻泵電機(jī)M5（KM6）I0.6攻螺紋工位SQ6Q0.5攻螺紋動(dòng)力頭電機(jī)M4正轉(zhuǎn)（KM4）I0.7攻螺紋滑臺(tái)終點(diǎn)SQ7Q0.6制動(dòng)DLI1.0放松限位Q1.0夾緊電磁閥YV1I1.1啟動(dòng)按鈕SBQ1.1工作臺(tái)右移電磁閥YV2I1.2自動(dòng)、手動(dòng)選擇SAQ1.2工作臺(tái)左移電磁閥YV3液壓泵手動(dòng)SB1Q1.3放松電磁閥YV4凸輪電機(jī)手動(dòng)SB2Q1.4原位指示燈HL1鉆孔手動(dòng)SB3Q1.5自動(dòng)指示HL2手動(dòng)攻鏍紋正轉(zhuǎn)SB4Q1.6手動(dòng)指示HL3手動(dòng)攻鏍紋反轉(zhuǎn)SB5Q1.7手動(dòng)電源冷卻泵手動(dòng)SB6手動(dòng)夾緊SB7手

30、動(dòng)右移SB8手動(dòng)左移SB9手動(dòng)放松SB103.4 控制系統(tǒng)PLC的外圍電氣接線由加工工藝要求可知，其為順序控制。所以可以運(yùn)用狀態(tài)編程思想，采用步進(jìn)順序控制指令對其進(jìn)行控制。雖然該控制為自動(dòng)循環(huán)控制，考慮到具體情況，在設(shè)置自動(dòng)順序循環(huán)控制的同時(shí)，也設(shè)置了手動(dòng)控制，手動(dòng)工作方式下啟動(dòng)后，只需要操作面板上相應(yīng)動(dòng)作的按鈕即可實(shí)現(xiàn)所需的機(jī)械手的動(dòng)作過程。為減少輸入點(diǎn)，簡化程序，將按鈕或轉(zhuǎn)換開關(guān)接在驅(qū)動(dòng)回路，從而實(shí)現(xiàn)上述各工步的手動(dòng)操作。圖3-2 外部接線圖4 組合機(jī)床PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1 PLC程序設(shè)計(jì)思想根據(jù)控制過程要求的復(fù)雜程度不同，可將程序按結(jié)構(gòu)形式分為基本程序和模塊化程序?；境绦颍杭?/p>

31、可以作為獨(dú)立程序控制簡單的生產(chǎn)工藝過程，也可以作為組合中的單元程序。依據(jù)計(jì)算機(jī)程序的設(shè)計(jì)思想，基本程序的機(jī)構(gòu)方式只有三種，即順序結(jié)構(gòu)、條件分支結(jié)構(gòu)和循環(huán)機(jī)構(gòu)。模塊化程序：把一個(gè)總的控制目標(biāo)程序分成多個(gè)具有明確控制任務(wù)的程序模塊，分別對其編寫和調(diào)試，最后組合成一個(gè)完成總?cè)蝿?wù)的完整程序。這種設(shè)計(jì)方法叫做模塊化程序設(shè)計(jì)。程序設(shè)計(jì)時(shí)常采用這種設(shè)計(jì)思想，因?yàn)楦髂K具有相對獨(dú)立性，相互連接關(guān)系簡單，程序易于調(diào)試修改，特別是用于復(fù)雜控制要求的生產(chǎn)過程 王兆義.小型可編程控制器實(shí)用技術(shù)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1997.。根據(jù)以上對組合機(jī)床控制系統(tǒng)的分析可知系統(tǒng)通過相應(yīng)的限位開關(guān)來判斷是否完成相應(yīng)的動(dòng)作，完全

32、是按照動(dòng)作先后順序來控制電機(jī)的運(yùn)行。因此，每種工作方式下電動(dòng)機(jī)的動(dòng)作選用順序機(jī)構(gòu)控制。將各個(gè)工作方式下的控制動(dòng)作模塊組合在一塊就能實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制功能。由此可知，該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選用了基本程序中的順序結(jié)構(gòu)和模塊化程序來編寫系統(tǒng)軟件。這樣設(shè)計(jì)系統(tǒng)能較簡便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制要求。4.2 組合機(jī)床控制系統(tǒng)的功能流程圖根據(jù)組合機(jī)床控制功能要求，可見該控制完全按步進(jìn)進(jìn)行，所以采用步進(jìn)指令編程最適合。根據(jù)組合機(jī)床控制功能要求列出的I/O分配表3-1繪制順序功能圖。圖4-1 組合機(jī)床功能流程圖4.3 組合機(jī)床控制系統(tǒng)的軟件整體設(shè)計(jì)PLC控制程序采用SIEMENS公司提供的STEP 7-MicroWIN-V40

33、編程軟件開發(fā)。該軟件的SIMATIC指令集包含三種語言，即語句表語言、梯形圖語言、功能塊圖語言。梯形圖可以看作是PLC的高級語言，幾乎不用去考慮系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)原理和硬件邏輯。因此，它很容易被一般的電氣工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)人員所接受，是初學(xué)者理想的編程工具。功能塊圖的圖形結(jié)構(gòu)與數(shù)字電路的結(jié)構(gòu)極為相似，功能塊圖中每個(gè)模塊有輸入和輸出端，輸出和輸入端的函數(shù)關(guān)系使用與、或、非、異或邏輯運(yùn)算，模塊之間的連接方式與電路的連接方式基本相同。本設(shè)計(jì)采用梯形圖語言。4.3.1 原位指示程序系統(tǒng)通電之后，自動(dòng)起動(dòng)液壓泵電動(dòng)機(jī)M1。若機(jī)床各部分在原位（工作臺(tái)在鉆孔工位SQ1動(dòng)作，鉆孔滑臺(tái)在原位SQ2動(dòng)作，攻螺紋滑臺(tái)在

34、SQ3動(dòng)作），并且液壓系統(tǒng)壓力正常，壓力繼電器PV動(dòng)作，原位指示燈HL1亮，其梯形圖如圖4-2所示。圖4-2 原位指示程序4.3.2 鉆孔加工程序起動(dòng)鉆孔動(dòng)力頭電動(dòng)機(jī)M3，且由于凸輪電動(dòng)機(jī)M2運(yùn)轉(zhuǎn)，控制凸輪控制相應(yīng)的液壓閥使鉆孔滑臺(tái)前移，進(jìn)行鉆孔加工。當(dāng)鉆孔滑臺(tái)到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，鉆孔滑臺(tái)自動(dòng)后退，到原位時(shí)停，M3同時(shí)停止，如圖4-3所示。圖4-3 鉆孔加工程序4.3.3 攻螺紋程序起動(dòng)攻螺紋動(dòng)力頭電動(dòng)機(jī)M4正轉(zhuǎn)，攻螺紋滑臺(tái)開始前移，進(jìn)行攻螺紋加工，當(dāng)攻螺紋滑臺(tái)到達(dá)終點(diǎn)時(shí)（終點(diǎn)限位SQ7動(dòng)作），制動(dòng)電磁鐵DL得電，攻螺紋動(dòng)力頭制動(dòng)，0.3秒后攻螺紋動(dòng)力頭電機(jī)M4反轉(zhuǎn)，同時(shí)攻螺紋滑臺(tái)由控制凸輪控制使其自

35、動(dòng)后退，其梯形圖程序如圖4-4所示。圖4-4 攻螺紋程序4.3.4 自動(dòng)循環(huán)控制和手動(dòng)控制的轉(zhuǎn)換程序考慮到具體情況，在設(shè)置自動(dòng)循環(huán)控制的同時(shí)，也設(shè)置了手動(dòng)控制，在驅(qū)動(dòng)回路中接入轉(zhuǎn)換開關(guān)。自動(dòng)循環(huán)控制和手動(dòng)控制的轉(zhuǎn)換程序如圖4-5所示。圖4-5 自動(dòng)/手動(dòng)控制的轉(zhuǎn)換程序5 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.1 組態(tài)軟件iFIX的簡介iFIX是Intellution Dynamics 自動(dòng)化軟件產(chǎn)品家族中的HMI/SCADA最重要的組件，它是基于WindowsNT/2000平臺(tái)上的功能強(qiáng)大的自動(dòng)化監(jiān)視與控制的軟件解決方案。iFIX可以精確地監(jiān)視、控制生產(chǎn)過程，并優(yōu)化生產(chǎn)設(shè)備和企業(yè)資源管理。它能夠?qū)ιa(chǎn)事件快速反應(yīng)，減少原材料消耗，提高生產(chǎn)率，從而加快產(chǎn)品對市場反應(yīng)速度。生產(chǎn)的關(guān)鍵信息可以通過iFIX貫穿從生產(chǎn)現(xiàn)場到企業(yè)經(jīng)理的桌面的全廠管理體系，以方便管理者做出更快速更高效的決策，從而獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益13。iFIX主要有以下幾個(gè)重要特性：(1) 它易于擴(kuò)展和集成。由于運(yùn)用了直觀的圖形工具，iFIX的用戶可以快速上手，簡單快捷地為他們的生產(chǎn)過程