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(guó)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(shì).本文以兩工位鉆孔攻鏍組合機(jī)床為研究對(duì)象, 通過(guò)對(duì)主要結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)形式的探究以及對(duì)機(jī)床的工作過(guò)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

2、PLC 的I/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(jiǎn)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 . I 1 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(jiàn)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(guò)程 . . 73.2 PLC的

3、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 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(jiǎn)介. 185.2 系統(tǒng)環(huán)境的選取 . . 185.3 組態(tài)界面的設(shè)計(jì)

4、 . . 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。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(duì)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(wàn)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

5、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(duì)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1。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(guó)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(lái)，隨著可轉(zhuǎn)位刀具、密齒銑刀、鏜孔尺寸自動(dòng)檢測(cè)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)

6、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(jí)，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(guó)制成的，用于加工汽車零件。初期，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(guó)福特汽車公司和通用汽車公司與美國(guó)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(duì)部件結(jié)構(gòu)未作規(guī)定。在我國(guó)，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)

7、備之一。從2002年年底第21屆日本國(guó)際機(jī)床博覽會(huì)上獲悉，在來(lái)自世界10多個(gè)國(guó)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(guó)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

8、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2。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，可編程控制器的出現(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(guò)改進(jìn)，采用可編程控制系統(tǒng)，無(wú)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(duì)機(jī)床電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造, 很有益處3。1.3 本課題

9、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(guò)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(lái)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(duì)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(jiǎn)單到復(fù)雜；在操作上由笨重到輕松，從控制原理上，由

10、單一的有觸點(diǎn)硬接線繼電器控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)為以微處理器為中心的軟件控制系統(tǒng)4。為了實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象(生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)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5：(1完整性原則最大限度的滿足工業(yè)生產(chǎn)過(guò)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(jiǎn)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(jiàn)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)控制系統(tǒng)和PLC 控制系統(tǒng)來(lái)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(wèn)世以來(lái)，一直

11、是機(jī)電控制的主流。由于它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(lái)實(shí)現(xiàn)的，觸點(diǎn)的開(kāi)閉動(dòng)作一般是幾十毫秒數(shù)量級(jí)。其定時(shí)控制利用時(shí)間繼電器的延時(shí)動(dòng)作來(lái)進(jìn)行6。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(kāi)關(guān)等組成繼電器-接觸器控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的啟動(dòng)、停車、有級(jí)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(jiǎn)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7。目前，在我國(guó)繼電器接觸器控制仍然是

12、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(jiǎn)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)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(lái)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

13、兩方面的優(yōu)點(diǎn)，故目前世界各國(guó)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8。PLC 采用存儲(chǔ)邏輯。它除了輸入端和輸出端要與現(xiàn)場(chǎng)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(zhǎng)一些，輸入輸出的連線并不多。若需要對(duì)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動(dòng)不多，并且也容易改動(dòng)9。PLC 是由程序指令控制半導(dǎo)體電路來(lái)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(jí)。PLC 采用微電子技術(shù)，大量的開(kāi)關(guān)動(dòng)作由無(wú)觸點(diǎn)的半導(dǎo)體電路來(lái)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

14、控制程序的執(zhí)行情況，為現(xiàn)場(chǎng)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)10：1. 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(chǎng)接線的改動(dòng)而改動(dòng)。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

15、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(chǎng)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(zhǎng)一些，輸入輸出的連線并不多。若需要對(duì)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(lái)實(shí)現(xiàn)的，工作頻率低。觸點(diǎn)的開(kāi)閉動(dòng)作一般是幾十毫秒數(shù)量級(jí)。而且使用的繼電器越多，反映的速度越慢，還是容易出現(xiàn)觸點(diǎn)抖動(dòng)

16、和觸點(diǎn)拉弧問(wèn)題。而可編程控制器是由程序指令控制半導(dǎo)體電路來(lái)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(jí)。由于PLC 內(nèi)部有嚴(yán)格的同步，不會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)問(wèn)題，更不會(huì)出現(xiàn)觸點(diǎn)拉弧問(wèn)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(lái)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(zhǎng)，定時(shí)范圍廣。(4 可靠性和維護(hù)性。繼電器-接觸器控制系統(tǒng)使用了大量的機(jī)械觸點(diǎn)，連線也多。

17、觸點(diǎn)在開(kāi)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(kāi)關(guān)動(dòng)作由無(wú)觸點(diǎn)的半導(dǎo)體電路來(lái)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(chǎng)調(diào)試和維護(hù)提供了方便11?？傊?，PLC 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(jiǎn)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(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)化控制而設(shè)計(jì)的，所以它

18、與PLC 比較起來(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，一般要使用微處理器的匯編語(yǔ)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(duì)于那些只熟悉機(jī)電控制的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，需要進(jìn)行相當(dāng)長(zhǎng)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(yǔ)言編程，如梯形圖、狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖等，對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)，無(wú)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(jiǎn)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(jiǎn)單使用單片機(jī)來(lái)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(chǎng)與單片機(jī)的連接，輸出帶負(fù)載能力、接口的擴(kuò)展，接

19、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(chǎng)連接起來(lái)，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(wú)外接電源的開(kāi)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，由光電耦合器件，使現(xiàn)場(chǎng)的干擾信號(hào)不容易進(jìn)入PLC 12。(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(wèn)題就是抗干擾性能較差。而PLC 是專門用于工程現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的自動(dòng)控制，在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中采取了抗干擾性措施，穩(wěn)定性和可靠性較高。通過(guò)上面的比較，針對(duì)組合機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)，雖然PLC 的價(jià)格高一些

20、，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(lái)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)整和攻螺紋加

21、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(lái)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(guò)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

22、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(kāi)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(kāi)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)

23、M4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(guò)曾完成。兩個(gè)滑臺(tái)的移動(dòng)，是通過(guò)控制凸輪來(lái)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(guò)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(duì)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

24、的前提下，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(duì)小，一般用于系統(tǒng)工藝過(guò)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(duì)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(zhēng)使用的I/O點(diǎn)最少，但必須留有一定余量。

25、通常I/O點(diǎn)數(shù)是根據(jù)被控制對(duì)象的輸入輸出信號(hào)的實(shí)際需要，再加上10%-20%的余量來(lái)確定13。 （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( 824 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)14。26K 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

26、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(jí)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。 3.4 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(duì)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(guò)程。為減少輸入點(diǎn)，簡(jiǎn)化程序，將按鈕或轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)接在驅(qū)動(dòng)回路，從而實(shí)

27、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(guò)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。基本程序：既可以作為獨(dú)立程序控制簡(jiǎn)單的生產(chǎn)工藝過(guò)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(duì)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(duì)獨(dú)立性，相互連接關(guān)系簡(jiǎn)單，程序易于調(diào)試

28、修改，特別是用于復(fù)雜控制要求的生產(chǎn)過(guò)程15。根據(jù)以上對(duì)組合機(jī)床控制系統(tǒng)的分析可知系統(tǒng)通過(guò)相應(yīng)的限位開(kāi)關(guān)來(lái)判斷是否完成相應(yīng)的動(dòng)作，完全是按照動(dòng)作先后順序來(lái)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(lái)編寫系統(tǒng)軟件。這樣設(shè)計(jì)系統(tǒng)能較簡(jiǎn)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(jiàn)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

29、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編程軟件開(kāi)發(fā)。該軟件的SIMATIC 指令集包含三種語(yǔ)言，即語(yǔ)句表語(yǔ)言、梯形圖語(yǔ)言、功能塊圖語(yǔ)言。梯形圖可以看作是PLC 的高級(jí)語(yǔ)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(yǔ)言。4.3

30、.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(kāi)始前移，進(jìn)行攻螺紋加工，當(dāng)攻

31、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(kāi)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(jiǎn)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Window

32、sNT/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(guò)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(duì)市場(chǎng)反應(yīng)速度。生產(chǎn)的關(guān)鍵信息可以通過(guò)iFIX 貫穿從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)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(jiǎn)單快捷地為他們的生產(chǎn)過(guò)程創(chuàng)建高性能的過(guò)程窗口。 無(wú)論是簡(jiǎn)單的單機(jī)人機(jī)界面 (Human Machine Interface,

33、 HMI，還是復(fù)雜的多節(jié)點(diǎn)、多現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng) (SCADA，iFIX 都可以方便地滿足各種應(yīng)用類型和應(yīng)用規(guī)模的需要。iFIX 靈活的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)意味著：iFIX 不但可以滿足當(dāng)前系統(tǒng)應(yīng)用的需要，還可以在將來(lái)需要的時(shí)候隨時(shí)方便地?cái)U(kuò)展系統(tǒng)規(guī)模。(2 它提供了強(qiáng)大而靈活的多重冗余功能，保證系統(tǒng)的不間斷監(jiān)控，包括備份SCADA 服務(wù)器、LAN 冗余以及利用網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)服務(wù)器和iFIX 診斷顯示程序監(jiān)視、控制網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)。此外，在主服務(wù)器和備用服務(wù)器同時(shí)啟動(dòng)、運(yùn)行時(shí)，iFIX 實(shí)現(xiàn)報(bào)警同步，避免對(duì)同一報(bào)警的重復(fù)響應(yīng)。(3 分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。iFIX 提供真正的分布式、客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)提供最大的可

34、延伸性。無(wú)論是 Server和 Client 功能運(yùn)行在單一計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)界面 (HMI，還是網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜的分布式多Server 和多Client 數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，iFIX 都可以保證優(yōu)異的性能。5.2 系統(tǒng)環(huán)境的選取對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)，并且對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和連接，可以在PC 上監(jiān)測(cè)到現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的情況，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)地監(jiān)控14。在組態(tài)監(jiān)控中可以監(jiān)控PLC 的各個(gè)開(kāi)關(guān)量的，還可以監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)和聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)之間的動(dòng)作關(guān)系。本系統(tǒng)的組態(tài)環(huán)境如表5-1所示。表5-1 系統(tǒng)組態(tài)環(huán)境 5.3 組態(tài)界面的設(shè)計(jì)5.4 仿真運(yùn)行情況 結(jié)論本課題采用PLC 自動(dòng)控制系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)繼電器-接觸器電氣控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩工位鉆孔攻鏍組合機(jī)床的自動(dòng)控制，完成了常用的鉆孔、攻螺紋等操作，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)科學(xué)合理，運(yùn)行穩(wěn)定。并利用觸摸屏組態(tài)軟件對(duì)組合機(jī)床進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)控。PLC 作為新一代的工業(yè)控制裝置，具有開(kāi)發(fā)柔性好，接線簡(jiǎn)單，安裝方便，抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，用它來(lái)控制深鉆孔組合機(jī)床這樣復(fù)雜的生產(chǎn)設(shè)備，提高了機(jī)床的工作效率、工作穩(wěn)定性和可靠性，而且還大大降低了公認(rèn)的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了產(chǎn)品的加工質(zhì)量，降低了設(shè)備的故障率，提高了生產(chǎn)率。由于時(shí)間精力有限，還有許多功能有待擴(kuò)展、完善。