基于PLC的全自動氣動鉆床教學實訓臺的研發(fā)

盧光 趙秀菊

摘? 要：設計開發(fā)了一種基于PLC控制的全自動氣動鉆床教學實訓臺，可按程序自動完成工件上下料、定位夾緊及鉆削加工等功能。根據(jù)全自動鉆孔動作順序的要求，進行了氣動系統(tǒng)回路設計、PLC程序設計以及觸摸屏人機界面設計等。該實訓臺具有手動控制及自動循環(huán)兩種模式，操作方便、安全可靠、自動化水平高，可應用于高職院校氣動與液壓技術、PLC控制技術、組態(tài)軟件MCGS應用等專業(yè)課程實訓中，并且確保了教學實訓設備的創(chuàng)新性和高效性，有較好的應用前景。

關鍵詞：鉆床實訓臺;氣動系統(tǒng);PLC控制;觸摸屏

中圖分類號：TG529.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-0105（2021）01-0079-04

Research and Development of Teaching and Training Platform for Automatic Pneumatic Drilling Machine Based on PLC

LU Guang，ZHAO Xiu-ju

（Zhejiang Industry & Trade Vocational College， Wenzhou， 325003， China）

Abstract：? A teaching and training platform of automatic pneumatic drilling machine based on PLC control is designed and developed， which can automatically complete the functions of work piece loading and unloading， positioning clamping and drilling according to the program. According to the requirements of automatic drilling sequence， the pneumatic system circuit design， PLC program design and touch screen man-machine interface design are carried out. The training platform has two modes of manual control and automatic circulation. It is easy to operate， safe and reliable， and has high automation level. It can be used in the training of pneumatic and hydraulic technology， PLC control technology， configuration software MCGS application and other professional courses in higher vocational colleges. It also ensures the innovation and efficiency of teaching and training equipment， and has a good application prospect.

Key Words：? drilling machine training platform;pneumatic system;PLC control;touch screen

鉆床是機械行業(yè)中一種最常見的機床，除了常見的鉆孔外，還可進行擴孔、锪孔、鉸孔或攻絲等加工?，F(xiàn)有普通鉆床自動化不高，特別是鉆床上下料、工件定位夾緊及動力頭進給等動作大多靠手動，速度慢，工人勞動強度大，極大地影響鉆床加工的效率。

作者運用氣動技術、PLC技術及觸摸屏來設計開發(fā)一種全自動氣動鉆床教學實訓臺，并將其作為我院機電專業(yè)的綜合訓練平臺。該平臺不僅能讓學生學會氣動系統(tǒng)設計、安裝、調試的技能，而且還能掌握氣動系統(tǒng)與電氣控制及PLC控制系統(tǒng)之間的信號傳遞和控制功能，因此該實訓臺是一個典型的機、電、氣、計算機一體化的綜合實訓裝置。

一、動作流程和控制要求

本氣動鉆床實訓臺的設計如圖1所示[1]。實訓臺主要由工件料倉、氣缸（送料氣缸、進給氣缸及推料氣缸）、鉆孔電機、PLC及氣動系統(tǒng)等組成。根據(jù)鉆孔工藝要求，實訓臺動作流程確定為：送料氣缸伸出（工件定位、夾緊）—刀具旋轉—進給氣缸動作（快進—工進—停留—快退）—刀具停轉—進料氣缸退回（夾具松開）—推料氣缸伸出（下料）—計數(shù)器顯示—推料氣缸返回—下一循環(huán)自動開始[2-3]。其具體要求如下：

1.送料氣缸伸出：按下PLC啟動按鈕，送料氣缸開始將待加工工件推到加工工位上，并實現(xiàn)工件定位夾緊，此時要保證夾緊力基本不變。

2.刀具旋轉：在對工件進行夾緊后，刀具開始旋轉。

3.進給氣缸動作：包括快進、工進、停留、快退等?？爝M用于刀具從初始位置到工件表面這一段空行程，要求速度盡量快;工進用于刀具鉆削階段，要求進給氣缸產生較大的推力，速度可適當減少;鉆削結束后刀具要有短暫的停留，以避免加工內孔端部產生錐形特征;停留結束后，進給氣缸快退返回到初始位置。

4.刀具停轉：當進給氣缸退回到初始位置后，直流電機供電自動斷開，鉆孔刀具停轉。

5.送料氣缸返回：工件加工結束后，送料氣缸返回到初始位置，工件自動松開。

6.推料氣缸伸出：工件松開后，推料氣缸伸出將加工好的工件從工作臺推到成品箱中。

7.計數(shù)器顯示：每加工完一個零件，計數(shù)器自動加1，觸摸屏屏幕上能夠顯示已加工工件的數(shù)量。

8.推料氣缸返回：推料氣缸推下工件后，然后返回到初始位置。觸發(fā)磁性行程開關后使送料氣缸啟動右移，自動開始下一個循環(huán)。

二、氣動系統(tǒng)原理設計

按照該氣動鉆床的加工要求，送料夾緊、工作進給、下料動作分別由不同的氣缸來完成，3個氣缸有嚴格的動作順序要求，其氣動原理圖如圖2所示[4]：

設計說明具體如下：

（1）供氣方式：由于實訓臺在整個工作循環(huán)內負載比較小，氣缸速度也不快，考慮到使用方便和節(jié)能方面，選擇采用小型空壓機供氣。

（2）調速方式：可將整個氣動回路可分解為三個子回路。考慮三個氣缸工作中都需要調節(jié)速度，并且對速度的穩(wěn)定性要求不是很高，因此各子回路均采用普通的單向節(jié)流閥來調速。

（3）換向控制方式：各個子回路均采用二位五通電磁閥實現(xiàn)換向控制，電磁閥換向快，使用方便，并且容易實現(xiàn)自動循環(huán)。

（4）行程控制方式：本回路要求系統(tǒng)能夠實現(xiàn)全自動循環(huán)，因此行程控制采用磁性行程開關。送料氣缸和下料氣缸行程始末均安裝一個磁性開關，僅實現(xiàn)進、退兩個動作。進給氣缸安裝三個行程開關，以實現(xiàn)快進、慢進及快退的切換。

三、鉆床實訓臺控制系統(tǒng)的PLC選型和資源配置

（一）PLC選型

由于鉆床實訓臺控制系統(tǒng)的輸入/輸出接點少，因此選用三菱的FX1S-20MR型可編程控制器。該主機為繼電器輸出，有12個輸入點，8個輸出點，完全能夠滿足使用要求。

（二）系統(tǒng)資源分配

1. I/O觸點分配表

根據(jù)系統(tǒng)控制要求，需要有9個輸入點，5個輸出點，具體的I/O分配如表1所示。

2. PLC接線圖

根據(jù)I/O的分配表，繪制本氣動鉆床實訓臺PLC外部接線圖，如圖3所示。

3. PLC程序

具體的梯形圖如圖4所示。

四、觸摸屏PLC人機界面的設計

觸摸屏是新一代高科技人機界面交互產品，是操作人員和機器設備進行雙向溝通的窗口和界面[5]。本實訓臺觸摸屏界面設計如圖5所示。在屏幕上方設置了PLC的啟動和停止按鈕，中間空白處可以實時顯示已加工工件的數(shù)量。屏幕中間為自動和手動切換按鈕，在對設備進行調試時，一般使用手動模式，可以對任意氣缸進行控制，而在正常運行時，一般選擇自動循環(huán)模式，僅需要使用啟動和停止按鈕。屏幕下方有三個氣缸完成的動作按鈕，分別是送料氣缸的夾緊和松開按鈕、進給氣缸的前進和返回按鈕及推料氣缸的推料和返回按鈕。

五、結束語

成功開發(fā)了一種既能用于鉆床加工又能應用于氣動技術、PLC技術及觸摸屏技術等課程的實訓教學。實際使用表明，該設備加工效率、靈活性、可靠性都有所提高，并且觸摸屏交互界面設計友好，操作方便，在教學中取得了良好的教學效果。3

參考文獻：

[1] 許為民.基于PLC的全自動氣動鉆床控制系統(tǒng)設計[J].液壓與氣動.2009（12）：7-8.

[2] 鄧維克.木塊自動鉆孔機的設計[J].邵陽學院學報.2016（03）：64-65.

[3] 杜宇凡，宋煒，秦濤.基于三菱PLC的單面組合鉆床控制設計[J].裝備制造技術.2018（08）：185-187.

[4] 王玨翎.氣動與液壓傳動[M].北京：機械工業(yè)出版社.2017，149-173.

[5] 牟應華，陳玉平.三菱PLC項目式教程[M].北京：機械工業(yè)出版社.2017，62-70.

（責任編輯：李曉星）