多孔镗床自动控制系统设计 多孔镗床自动控制系统设计
路 程1，温 杰2，吕 涛2，吴焱明1
(1. 合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥 230009；2. 阜阳市飞弘机械有限公司，安徽 阜阳 236028)
摘要：传统的多孔镗床操作过程复杂，自动化程度低，对操作人员的技能要求较高，生产效率低。为此，设计了多孔镗床自动控制系统，通过PLC编写加工程序，利用中断程序实现速度变化的快速响应，由伺服电机和交流电机作为执行机构执行动作，采用触摸屏来设置参数、下达指令，通过设定不同参数可自动加工不同规格的减速箱。设备运行表明：该系统减轻了工人的劳动强度，在保证产品质量的同时极大地提高了生产效率。关键词：多孔镗床；自动加工；PLC；控制系统
0 引言
随着社会的发展，工业自动化技术发展迅速，生产方式发生巨大变化，企业对于中小批量生产的零件要求越来越严格，对零件的复杂性和精度要求也越来越高。而传统的多孔镗床采用的电气控制系统接线方式固定，使用起来灵活性差，容易出现线路问题，可靠性不高，很难满足企业的生产要求[1-2]。为此，本文介绍了一种基于PLC的多孔镗床自动控制系统，利用PLC的可调整性与触摸屏的易操作性，实现各种规格产品的手动调整和自动加工。
1 多孔镗床工作原理
多孔镗床机械系统主要分为两个部分。第一部分以交流电机为动力，带动3根相对位置固定的镗杆旋转；第二部分以伺服电机为动力，通过丝杠带动镗杆做轴向进给。本文加工的工件为减速器箱体，需要加工3个孔，最上方孔需要加工出沉头孔，工件下方突出部分便于工件在机床上定位与夹紧。
减速器箱体及加工过程如图1所示。由于3个轴孔加工过程相同，因此只画出一个轴孔的加工图。图1中镗杆上装有4把刀具，Ⅰ刀用于镗孔的粗加工，Ⅱ刀用于半精加工，Ⅲ刀用于精加工，Ⅳ刀用于镗沉头孔。加工过程如下：首先，镗杆停留在初始点位置，启动后镗杆快速进给到靠近箱体前表面位置，随后镗杆旋转并且慢速进给，当Ⅲ刀切削完成第一个孔后镗杆快速进给到第二个孔前表面位置开始加工第二个孔，由于刀距与工件尺寸固定，Ⅲ刀加工结束后Ⅳ刀已经开始加工，当镗杆到达图示终点位置，镗杆保持在此位置上旋转3 s后停止，随后镗杆快速退出工件至停机位置，回到初始点。
2 控制系统硬件设计
首先选择核心部件PLC，计算其需要的输入与输出点，其输入信号包括：镗杆旋转启动和停止，自动加工启动，档位切换，进给部分的点进、点退、快进、快退、急停，以及原点、正负极限位置检测和伺服报警。其输出信号包括交流电机的动力电源、伺服电机的动力电源、脉冲和方向信号、运行和报警指示灯等。在考虑不同型号的性价比后，最终选择台达EH3系列的PLC。图2为多孔镗床控制系统框图，其中开关按钮、传感器、触摸屏和伺服驱动器连接PLC输入点，PLC接收到输入信号后通过内部程序分别控制指示灯、交流电机、伺服驱动器运行并将运行时的数据实时显示在触摸屏中[3]。
图1 减速器箱体加工过程示意图
3 控制系统软件设计
控制系统软件设计包括两部分：触摸屏界面设计和PLC程序设计。首先要对触摸屏界面进行设计，由于触摸屏与PLC有信息的交换，因此触摸屏上要设计按钮、数据框与指示灯等。开关按钮主要用来控制各电机动作，状态显示灯用来显示当前运行状态，数据输入和显示框分别用来输入控制数据和实时显示电机运动位置，各界面的切换通过界面切换按钮来实现[4]。其次对PLC程序进行设计，PLC程序设计运用模块化结构思想，不同模块具有不同功能，便于设计者后期修改。多孔镗床控制系统分为5个功能模块，如图3所示。
为保证控制系统的可靠性，在进行PLC程序设计时需要考虑模块间的逻辑互锁，例如自动运行时不能手动操作等，从而保证加工过程中无论操作是否失误、模块间如何切换，也不会导致工件及设备的损坏[5-6]。
图2 多孔镗床控制 图3 多孔镗床控制系统
系统框图 功能模块
(1) 自动运行模块：开机以后，首先要运行初始化，系统会根据原点信号确定原点的位置，从而建立坐标系，操作人员输入工件参数并确保无误后只要按下“启动”按钮，系统即可自动完成加工流程。自动运行程序编程思想如下：当操作人员按下“启动”按钮，进入快进1状态，根据参数计算出各阶段相应变速位置，镗杆按照触摸屏中输入的快进1速度进给，当到达快进1转工进1变速位置时，镗杆旋转并且按照工进1速度进给，当到达工进1转快进2变速位置时，镗杆停止旋转并且按照快进2速度进给，后面的阶段以此类推。由于工件尺寸和刀距的关系，当工进2完成Ⅲ刀加工后，工进3阶段的Ⅳ刀已经开始加工，当工进3结束时进入快退阶段，镗杆按照快退速度退回原点位置。速度变换流程如图4所示。主程序中设计有中断变速程序，系统每隔一段周期扫描一次中断程序，当自动运行程序执行时，到达某一个变速位置，中断程序快速响应，进给速度变化。图4中设置快进速度一致，工进速度一致，实际工作时可以修改触摸屏中参数来改变各阶段的速度。
(2) 手动操作模块：该模式主要用于手动调整镗杆位置时使用，分别对伺服电机、交流电机进行控制，如：可以设定镗杆的进给速度，通过触摸屏上设定的前进或后退按钮实现镗杆的进给，通过旋转与停止按钮实现镗杆的旋转控制。在该模式下，操作人员可以根据加工流程以及各加工位置的计算手动分步骤完成加工流程。
(3) 参数设置模块：操作者可以通过此模块设定型号参数和系统数据。针对30种不同产品，可设定或更改产品的型号参数，如减速箱长度、沉头孔深度等；可设定系统数据，如伺服电机的停机位置与快进、快退速度等。另外为了防止操作者误改参数与数据，只有点击界面上“修改”键并按下“确认”键才能成功。
(4) 产品选型模块：由于减速箱不是单一型号的，需要更换不同规格的减速箱，操作人员输入将要操作的减速箱型号，按下界面上的“确认”按钮，此时程序将调用该型号所对应的所有系统参数，并将一些重要的参数显示在界面上，以便操作人员核对调用的参数是否正确。这样便实现对不同规格的减速箱进行镗孔操作，从而提高了该设备的通用性。
(5) 故障报警模块：当镗杆在移动过程中超出安全位置时(如碰到正、负极限位置开关)，或者操作者按下急停时，蜂鸣器都将发出声光警报，同时触摸屏上弹出窗口显示报警信息[7-8]。
图4 速度变换流程图
4 结束语
通过对PLC程序的模块化设计实现了多孔镗床的手动调整和自动运行，控制系统软件采用模块化编程思想，强化了系统的可靠性；触摸屏的应用提高了系统的可操作性；使用伺服电机保证定位精度并且控制转速，能够精确控制设备的运行；可通过设定减速箱的参数来加工不同型号的减速箱，使用途更加广泛。使用旧机床加工到达变速位置需要人工观察变速，并且在加工沉头孔时需要对刀，不能保证加工精度，而该系统镗孔可一次成型，且不需要确定位置，降低了其操作工的技能要求，排除了人为误差，使得进刀更为精确，实现了多孔镗床的自动化生产。该设备经过一段时间的使用，能够稳定运行，加工一个工件从30 min以上降到15 min，大大提高了生产效率，降低了劳动强度。
参考文献：
[1] 钟玲,叶元臻,张劲涛.基于PLC的镗床自动控制改装[J].工程设计学报,2005(3):182-184.
[2] 吕栋腾.基于PLC控制的卧式镗床电气化改造[J].新技术新工艺,2013(10):100-102.
[3] 黄崇莉,王玲.PLC在机床改造中的应用[J].现代机械,2005(5):53-54.
[4] 吕品.PLC和触摸屏组合控制系统的应用[J].自动化仪表,2010(8):45-47.
[5] 赵玉刚,宋现春.数控技术[M].北京:机械工业出版社,2003.
[6] 朱丽辉.浅析数控加工中的电机及其伺服驱动[J].科技信息,2010(7):121,137.
[7] 吴焱明,孙云云,路程，等.铠装机控制系统设计[J].装备制造技术，2014(9):60-61.
[8] 吴焱明,叶云龙,年夫来，等.咬口机自动上下料控制系统设计[J].机械工程与自动化，2014(1):153-154.
Design of Control System for Boring Machine
LU Cheng1, WEN Jie2, LV Tao2, WU Yan-ming1
(1.School of Mechanical and Automotive Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Fuyang City Feihong Machinery Co.,Ltd., Fuyang 236028, China)
Abstract： The operation process of traditional boring machine is complex, which also has low degree of automation, higher requirements for operating personnel, and low production efficiency. So a boring machine control system was designed, the processing program was written by use of PLC, including manual adjustment and automatic processing, the fast interrupt procedure was used to achieve speed variation, servo motor and AC motor were taken as actuators to perform the actions, touch screen was used as human machine interface to achieve automatic processing for different gearboxes by setting different parameters. Equipment operation shows that the system can reduce the labor intensity, ensure product quality, and improved production efficiency.
Key words： boring machine; automatic processing; PLC; control system
文章编号：1672- 6413(2016)03- 0143- 02
收稿日期：2015- 06- 01；
修订日期：2016- 03- 23
作者简介：路程(1990-)，男，天津人，在读硕士研究生，主要研究智能控制、数字化设计与制造等。
中图分类号：TP273∶TG53
文献标识码：A
多孔镗床自动控制系统设计 多孔镗床自动控制系统设计
路 程1，温 杰2，吕 涛2，吴焱明1
(1. 合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥 230009；2. 阜阳市飞弘机械有限公司，安徽 阜阳 236028)
摘要：传统的多孔镗床操作过程复杂，自动化程度低，对操作人员的技能要求较高，生产效率低。为此，设计了多孔镗床自动控制系统，通过PLC编写加工程序，利用中断程序实现速度变化的快速响应，由伺服电机和交流电机作为执行机构执行动作，采用触摸屏来设置参数、下达指令，通过设定不同参数可自动加工不同规格的减速箱。设备运行表明：该系统减轻了工人的劳动强度，在保证产品质量的同时极大地提高了生产效率。关键词：多孔镗床；自动加工；PLC；控制系统
0 引言
随着社会的发展，工业自动化技术发展迅速，生产方式发生巨大变化，企业对于中小批量生产的零件要求越来越严格，对零件的复杂性和精度要求也越来越高。而传统的多孔镗床采用的电气控制系统接线方式固定，使用起来灵活性差，容易出现线路问题，可靠性不高，很难满足企业的生产要求[1-2]。为此，本文介绍了一种基于PLC的多孔镗床自动控制系统，利用PLC的可调整性与触摸屏的易操作性，实现各种规格产品的手动调整和自动加工。
1 多孔镗床工作原理
多孔镗床机械系统主要分为两个部分。第一部分以交流电机为动力，带动3根相对位置固定的镗杆旋转；第二部分以伺服电机为动力，通过丝杠带动镗杆做轴向进给。本文加工的工件为减速器箱体，需要加工3个孔，最上方孔需要加工出沉头孔，工件下方突出部分便于工件在机床上定位与夹紧。
减速器箱体及加工过程如图1所示。由于3个轴孔加工过程相同，因此只画出一个轴孔的加工图。图1中镗杆上装有4把刀具，Ⅰ刀用于镗孔的粗加工，Ⅱ刀用于半精加工，Ⅲ刀用于精加工，Ⅳ刀用于镗沉头孔。加工过程如下：首先，镗杆停留在初始点位置，启动后镗杆快速进给到靠近箱体前表面位置，随后镗杆旋转并且慢速进给，当Ⅲ刀切削完成第一个孔后镗杆快速进给到第二个孔前表面位置开始加工第二个孔，由于刀距与工件尺寸固定，Ⅲ刀加工结束后Ⅳ刀已经开始加工，当镗杆到达图示终点位置，镗杆保持在此位置上旋转3 s后停止，随后镗杆快速退出工件至停机位置，回到初始点。
2 控制系统硬件设计
首先选择核心部件PLC，计算其需要的输入与输出点，其输入信号包括：镗杆旋转启动和停止，自动加工启动，档位切换，进给部分的点进、点退、快进、快退、急停，以及原点、正负极限位置检测和伺服报警。其输出信号包括交流电机的动力电源、伺服电机的动力电源、脉冲和方向信号、运行和报警指示灯等。在考虑不同型号的性价比后，最终选择台达EH3系列的PLC。图2为多孔镗床控制系统框图，其中开关按钮、传感器、触摸屏和伺服驱动器连接PLC输入点，PLC接收到输入信号后通过内部程序分别控制指示灯、交流电机、伺服驱动器运行并将运行时的数据实时显示在触摸屏中[3]。
图1 减速器箱体加工过程示意图
3 控制系统软件设计
控制系统软件设计包括两部分：触摸屏界面设计和PLC程序设计。首先要对触摸屏界面进行设计，由于触摸屏与PLC有信息的交换，因此触摸屏上要设计按钮、数据框与指示灯等。开关按钮主要用来控制各电机动作，状态显示灯用来显示当前运行状态，数据输入和显示框分别用来输入控制数据和实时显示电机运动位置，各界面的切换通过界面切换按钮来实现[4]。其次对PLC程序进行设计，PLC程序设计运用模块化结构思想，不同模块具有不同功能，便于设计者后期修改。多孔镗床控制系统分为5个功能模块，如图3所示。
为保证控制系统的可靠性，在进行PLC程序设计时需要考虑模块间的逻辑互锁，例如自动运行时不能手动操作等，从而保证加工过程中无论操作是否失误、模块间如何切换，也不会导致工件及设备的损坏[5-6]。
图2 多孔镗床控制 图3 多孔镗床控制系统
系统框图 功能模块
(1) 自动运行模块：开机以后，首先要运行初始化，系统会根据原点信号确定原点的位置，从而建立坐标系，操作人员输入工件参数并确保无误后只要按下“启动”按钮，系统即可自动完成加工流程。自动运行程序编程思想如下：当操作人员按下“启动”按钮，进入快进1状态，根据参数计算出各阶段相应变速位置，镗杆按照触摸屏中输入的快进1速度进给，当到达快进1转工进1变速位置时，镗杆旋转并且按照工进1速度进给，当到达工进1转快进2变速位置时，镗杆停止旋转并且按照快进2速度进给，后面的阶段以此类推。由于工件尺寸和刀距的关系，当工进2完成Ⅲ刀加工后，工进3阶段的Ⅳ刀已经开始加工，当工进3结束时进入快退阶段，镗杆按照快退速度退回原点位置。速度变换流程如图4所示。主程序中设计有中断变速程序，系统每隔一段周期扫描一次中断程序，当自动运行程序执行时，到达某一个变速位置，中断程序快速响应，进给速度变化。图4中设置快进速度一致，工进速度一致，实际工作时可以修改触摸屏中参数来改变各阶段的速度。
(2) 手动操作模块：该模式主要用于手动调整镗杆位置时使用，分别对伺服电机、交流电机进行控制，如：可以设定镗杆的进给速度，通过触摸屏上设定的前进或后退按钮实现镗杆的进给，通过旋转与停止按钮实现镗杆的旋转控制。在该模式下，操作人员可以根据加工流程以及各加工位置的计算手动分步骤完成加工流程。
(3) 参数设置模块：操作者可以通过此模块设定型号参数和系统数据。针对30种不同产品，可设定或更改产品的型号参数，如减速箱长度、沉头孔深度等；可设定系统数据，如伺服电机的停机位置与快进、快退速度等。另外为了防止操作者误改参数与数据，只有点击界面上“修改”键并按下“确认”键才能成功。
(4) 产品选型模块：由于减速箱不是单一型号的，需要更换不同规格的减速箱，操作人员输入将要操作的减速箱型号，按下界面上的“确认”按钮，此时程序将调用该型号所对应的所有系统参数，并将一些重要的参数显示在界面上，以便操作人员核对调用的参数是否正确。这样便实现对不同规格的减速箱进行镗孔操作，从而提高了该设备的通用性。
(5) 故障报警模块：当镗杆在移动过程中超出安全位置时(如碰到正、负极限位置开关)，或者操作者按下急停时，蜂鸣器都将发出声光警报，同时触摸屏上弹出窗口显示报警信息[7-8]。
图4 速度变换流程图
4 结束语
通过对PLC程序的模块化设计实现了多孔镗床的手动调整和自动运行，控制系统软件采用模块化编程思想，强化了系统的可靠性；触摸屏的应用提高了系统的可操作性；使用伺服电机保证定位精度并且控制转速，能够精确控制设备的运行；可通过设定减速箱的参数来加工不同型号的减速箱，使用途更加广泛。使用旧机床加工到达变速位置需要人工观察变速，并且在加工沉头孔时需要对刀，不能保证加工精度，而该系统镗孔可一次成型，且不需要确定位置，降低了其操作工的技能要求，排除了人为误差，使得进刀更为精确，实现了多孔镗床的自动化生产。该设备经过一段时间的使用，能够稳定运行，加工一个工件从30 min以上降到15 min，大大提高了生产效率，降低了劳动强度。
参考文献：
[1] 钟玲,叶元臻,张劲涛.基于PLC的镗床自动控制改装[J].工程设计学报,2005(3):182-184.
[2] 吕栋腾.基于PLC控制的卧式镗床电气化改造[J].新技术新工艺,2013(10):100-102.
[3] 黄崇莉,王玲.PLC在机床改造中的应用[J].现代机械,2005(5):53-54.
[4] 吕品.PLC和触摸屏组合控制系统的应用[J].自动化仪表,2010(8):45-47.
[5] 赵玉刚,宋现春.数控技术[M].北京:机械工业出版社,2003.
[6] 朱丽辉.浅析数控加工中的电机及其伺服驱动[J].科技信息,2010(7):121,137.
[7] 吴焱明,孙云云,路程，等.铠装机控制系统设计[J].装备制造技术，2014(9):60-61.
[8] 吴焱明,叶云龙,年夫来，等.咬口机自动上下料控制系统设计[J].机械工程与自动化，2014(1):153-154.
Design of Control System for Boring Machine
LU Cheng1, WEN Jie2, LV Tao2, WU Yan-ming1
(1.School of Mechanical and Automotive Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Fuyang City Feihong Machinery Co.,Ltd., Fuyang 236028, China)
Abstract： The operation process of traditional boring machine is complex, which also has low degree of automation, higher requirements for operating personnel, and low production efficiency. So a boring machine control system was designed, the processing program was written by use of PLC, including manual adjustment and automatic processing, the fast interrupt procedure was used to achieve speed variation, servo motor and AC motor were taken as actuators to perform the actions, touch screen was used as human machine interface to achieve automatic processing for different gearboxes by setting different parameters. Equipment operation shows that the system can reduce the labor intensity, ensure product quality, and improved production efficiency.
Key words： boring machine; automatic processing; PLC; control system
文章编号：1672- 6413(2016)03- 0143- 02
收稿日期：2015- 06- 01；
修订日期：2016- 03- 23
作者简介：路程(1990-)，男，天津人，在读硕士研究生，主要研究智能控制、数字化设计与制造等。
中图分类号：TP273∶TG53
文献标识码：A