吳岳敏，羅敏，雷鈞，劉凌云，馬彬

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，湖北十堰442002）

隨著自動(dòng)化程度的不斷提高，生產(chǎn)效率也在不斷提高。傳統(tǒng)加工大量使用手動(dòng)機(jī)床，因此需要技術(shù)熟練工人操作，廢品率較高，質(zhì)量穩(wěn)定性差，且一般工人培養(yǎng)成熟練工人成本較高。要想改變這種狀況有2種途徑：1）重新購(gòu)置自動(dòng)化加工設(shè)備。根據(jù)工件的加工特點(diǎn)購(gòu)置，這類設(shè)備一般都為專用設(shè)備，購(gòu)置成本高，而且普遍適用性差。2）將手動(dòng)機(jī)床進(jìn)行自動(dòng)化改造，該方法節(jié)省成本，而且改造后的設(shè)備是針對(duì)該工件加工的，專機(jī)效率高。本次項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，由于相同類型機(jī)床較多，設(shè)備的機(jī)械傳動(dòng)部分基本正常而且磨損較小，為節(jié)省成本，選擇將機(jī)床進(jìn)行自動(dòng)化改造。

1 總體方案

由于后續(xù)加工需要利用圓邊定位，傳遞動(dòng)力使圓筒旋轉(zhuǎn)，因此需要在圓筒端部?jī)?nèi)側(cè)加工一個(gè)60°倒角，外側(cè)加工一個(gè)45°的倒角，且倒角邊長(zhǎng)有一定的尺寸要求，同時(shí)要求該設(shè)備能滿足多品種圓筒的倒角。

改造前設(shè)備是采用手搖輪驅(qū)動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，將刀固定在滑臺(tái)上之后，通過(guò)一個(gè)換位操作桿決定手搖輪驅(qū)動(dòng)哪個(gè)軸進(jìn)給，當(dāng)選擋操作桿處在A位置時(shí)，控制軸向進(jìn)給；當(dāng)選擋操作桿處在B位置時(shí)，控制徑向進(jìn)給。通過(guò)以上操作，控制十字滑臺(tái)在平面內(nèi)滑動(dòng)，通過(guò)操作工人判斷是否加工到位，加工完成之后，測(cè)量是否合格。

由于設(shè)備所加工的圓筒直徑是一個(gè)個(gè)的確定值，并不是連續(xù)變化的連續(xù)值，所以本次改造中將選擋裝置去掉，使用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸向進(jìn)給，通過(guò)不同的刀具以及刀頭的方位確定徑向尺寸。通過(guò)軸向和徑向進(jìn)給控制刀具在二維平面內(nèi)的加工尺寸。機(jī)械系統(tǒng)加工原理圖如圖1所示。由于單個(gè)品種只需加工2個(gè)倒角面，圖1中四刀位刀架可以加工2個(gè)品種，如需加工更多品種只需要更換刀位的刀架即可。

圖1 機(jī)械系統(tǒng)圖加工原理圖

傳統(tǒng)加工必須是X-Y 二維平面，必須采用數(shù)控系統(tǒng)、2套伺服電機(jī)加驅(qū)動(dòng)，設(shè)備昂貴。在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中由于經(jīng)費(fèi)有限，必須采用經(jīng)濟(jì)且能達(dá)到要求的方案?？紤]到所加工的管材端面在尺寸上全部都是一個(gè)個(gè)離散量，不需要連續(xù)，所以采用電動(dòng)刀架上刀具的長(zhǎng)短取代一個(gè)軸（X軸），即只需要控制電動(dòng)刀架的旋轉(zhuǎn)，從而控制刀在該軸（X軸）方向上的長(zhǎng)度，在進(jìn)給方向（Z軸）上則通過(guò)伺服電機(jī)控制絲桿旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。單軸的控制，只需要采用帶高速脈沖輸出的PLC直接驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)可，無(wú)需采用昂貴的數(shù)控系統(tǒng)。通過(guò)該方案，可以滿足加工要求，同時(shí)降低成本。

該系統(tǒng)中通過(guò)伺服電機(jī)帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)來(lái)驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)在工件軸向（X軸）的位置，通過(guò)設(shè)置刀具形狀、長(zhǎng)度及位置確定徑向（Y軸）位置。圖1中虛線圓即加工時(shí)刀具的軌跡，不同刀具徑向長(zhǎng)度不一樣。通過(guò)二者的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)二維平面（X-Y平面）的位置控制，從而控制不同管徑工件的端面加工。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用PLC為控制器，可以向外輸出100 kHz 脈沖，將脈沖輸送到安川伺服驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)。系統(tǒng)的輸入輸出采用臺(tái)達(dá)觸摸屏，組態(tài)相應(yīng)界面，將工件的選擇在觸摸屏上完成，同時(shí)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，將系統(tǒng)運(yùn)行中的各項(xiàng)參數(shù)顯示出來(lái)。采用電動(dòng)刀架換刀，配合必要的按鈕和指示燈運(yùn)行。PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)采用三菱FX3G-40MT PLC，可以輸出最大100 kHz的脈沖，具備24點(diǎn)I/O輸入，16點(diǎn)I/O輸出。觸摸屏采用臺(tái)達(dá)DOP B10S411 觸摸屏，該屏為10.4寸，采用422通信口直接和PLC通信。

2.2 電動(dòng)刀架

選用LD4系列四工位電動(dòng)刀架。當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出換刀信號(hào)之后，刀架電機(jī)正轉(zhuǎn)，減速機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)將上刀體升至一定位置，離合轉(zhuǎn)盤(pán)起作用，帶動(dòng)上刀體旋轉(zhuǎn)到所選到位，當(dāng)?shù)轿粰z測(cè)裝置檢測(cè)到刀體到位信號(hào)之后，電機(jī)停止200 ms 左右之后，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，上刀體下降，齒牙盤(pán)嚙合，完成精確定位，并通過(guò)蝸輪蝸桿、鎖緊螺母，使刀架鎖緊[1]。該刀架可以選擇使用自動(dòng)換刀和手動(dòng)換刀，通過(guò)在控制面板上設(shè)置旋鈕選擇換刀方式。PLC與電動(dòng)刀架的連接如圖3所示。

圖3 PLC與電動(dòng)刀架的連接圖

圖3中PLC向刀架發(fā)出旋轉(zhuǎn)方向控制信號(hào)，控制刀架的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。電動(dòng)刀架向PLC反饋4個(gè)刀位的位置信號(hào)，同時(shí)反饋刀具鎖緊信號(hào)。本設(shè)計(jì)所選擇的刀架為反邏輯，即當(dāng)?shù)都芴幵?號(hào)到位時(shí)，1號(hào)刀位檢測(cè)信號(hào)為“0”，2、3、4號(hào)刀位檢測(cè)信號(hào)為“1”；當(dāng)任意一把刀具鎖緊時(shí)，刀具鎖緊信號(hào)為“1”。電動(dòng)刀架的軸向位置由設(shè)置在機(jī)床上的一個(gè)位置確認(rèn)開(kāi)關(guān)決定，每次開(kāi)機(jī)時(shí)操作機(jī)床在軸向運(yùn)行尋找該點(diǎn)，由于該點(diǎn)位置已經(jīng)確定，當(dāng)開(kāi)關(guān)檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，即可確定滑臺(tái)當(dāng)前的準(zhǔn)確位置。

2.3 伺服連接

系統(tǒng)中伺服系統(tǒng)采用位置控制方式，PLC向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送脈沖加方向信號(hào)控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度、位移和方向。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 觸摸屏組態(tài)

選用DOP-B10S411 觸摸屏，該屏用于加工計(jì)數(shù)、報(bào)警記錄、工件選擇等的輸入輸出。同時(shí)，考慮到所加工工件可能會(huì)發(fā)生變化，相關(guān)參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，需要重新調(diào)整，觸摸屏是參數(shù)輸入的較好選擇。根據(jù)以上分析，工件選擇畫(huà)面組態(tài)見(jiàn)圖4。

圖4 工件選擇畫(huà)面組態(tài)圖

以1號(hào)工件為例：在新工件加工之前，需要在1號(hào)工件的參數(shù)設(shè)置中設(shè)置好工件半徑、工件長(zhǎng)度等參數(shù)，然后在自動(dòng)方式下選擇1號(hào)工件，PLC系統(tǒng)按照加工1號(hào)工件的參數(shù)加工工件，同時(shí)在1號(hào)工件顯示框中，顯示1號(hào)工件加工的數(shù)量。如需清除計(jì)數(shù)數(shù)字，則在參數(shù)設(shè)置中復(fù)位。此時(shí)參數(shù)設(shè)置窗口設(shè)密碼保護(hù)，需核對(duì)密碼才能更改其中的參數(shù)。

3.2 電動(dòng)刀架程序設(shè)計(jì)

電動(dòng)刀架的換刀主要是控制刀架電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，反饋信號(hào)為刀位信號(hào)和刀具鎖緊信號(hào)。換刀過(guò)程包括以下動(dòng)作：1）有換刀指令時(shí)，刀架電機(jī)正轉(zhuǎn)；2）檢測(cè)到目標(biāo)刀位信號(hào)，刀架電機(jī)停止正轉(zhuǎn)；3）適當(dāng)延時(shí)；4）電機(jī)反轉(zhuǎn)；5）檢測(cè)到鎖緊信號(hào)，停止反轉(zhuǎn)。以選擇2號(hào)刀為例來(lái)說(shuō)明電動(dòng)刀架的換刀程序流程，如圖5所示。

圖5 電動(dòng)刀架的程序設(shè)計(jì)流程圖

3.3 PLC系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是基于三菱PLC，在程序運(yùn)行之前，需要在觸摸屏上設(shè)置工件參數(shù)，包括滑臺(tái)在當(dāng)前位置向工件方向的位移、確定加工內(nèi)角時(shí)所使用的刀號(hào)、加工時(shí)的位移、加工外倒角所使用的刀號(hào)和加工時(shí)滑臺(tái)需要行進(jìn)的位移。參數(shù)設(shè)置好之后，在自動(dòng)方式下，PLC調(diào)用參數(shù)控制系統(tǒng)運(yùn)行，完成加工后自動(dòng)回到原點(diǎn)。

系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，位移參數(shù)是保證加工質(zhì)量的關(guān)鍵。每次開(kāi)機(jī)時(shí)需要確定滑臺(tái)的位置，在適當(dāng)位置安裝零點(diǎn)位置開(kāi)關(guān)，操作機(jī)床在軸向運(yùn)行尋找該點(diǎn)。由于該點(diǎn)位置已經(jīng)確定，當(dāng)開(kāi)關(guān)檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，讀入位置信息即可確定滑臺(tái)當(dāng)前的準(zhǔn)確位置。

伺服電機(jī)采用位置控制方式，位移主要是通過(guò)PLC向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送脈沖和方向等信號(hào)，通過(guò)計(jì)算傳動(dòng)比，將滑臺(tái)在工件軸向的滑動(dòng)距離轉(zhuǎn)換成伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，通過(guò)控制PLC發(fā)送脈沖頻率和脈沖數(shù)，控制伺服電機(jī)運(yùn)行的速度和轉(zhuǎn)動(dòng)角度。FX3G系列PLC通過(guò)PLSY 指令控制高速脈沖的輸出,其格式為[PLSY K50000 K1000 Y0]。該指令有2個(gè)操作數(shù)，K50000 代表從PLCY0 口輸出的脈沖頻率為50000Hz，K1000表示從Y0 口輸出的脈沖數(shù)量為1000個(gè)[2-3]。通過(guò)以上2個(gè)參數(shù)可以設(shè)置電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)角度，即控制滑臺(tái)的滑動(dòng)速度和位移量。以2號(hào)刀和3號(hào)刀為例編制程序流程圖，如圖6所示。

每種工件的加工需要2 把刀，將刀具安裝調(diào)整好之后，通過(guò)電動(dòng)刀架換刀可實(shí)現(xiàn)不同工序的加工。若后期需要增加更多不同工件的加工，只需要更換電動(dòng)刀架，安裝更多的刀即可[4]；軟件上只需要重新編制換刀加工程序即可。

圖6 PLC軟件的控制流程圖

4 結(jié)論

利用PLC控制技術(shù)，結(jié)合觸摸屏、電動(dòng)刀架和伺服電機(jī)，將傳統(tǒng)的手動(dòng)端面倒角機(jī)床改造成自動(dòng)控制機(jī)床。操作者只需要選擇工件，系統(tǒng)即可自動(dòng)調(diào)取相關(guān)參數(shù)控制系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行。該機(jī)床的改造提高了機(jī)床加工的質(zhì)量穩(wěn)定性，降低了加工的人力成本，也提高了生產(chǎn)效率。

[1]羅敏.FANUC 數(shù)控系統(tǒng)PMC 編程技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013：182-188.

[2]李金城.三菱FX2NPLC功能指令應(yīng)用詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[3]?？赡?可編程序控制器原理、應(yīng)用及通信基礎(chǔ)[M].北京∶機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[4]高樹(shù)禮.車端面倒角全自動(dòng)車床[J].機(jī)床，1974（3）：39-42.