基于PLC的臺式鉆床的自動化控制系統研究
2018-11-20 來源： 陜西工業職業技術學院 作者：司昌練，羅 梅
摘 要：為滿足機床加工需求和提高加工效率，將傳統臺式鉆床加工方式進行改造，設計了一種基于 PLC 自動化控制的鉆床加工系統。以PLC作為控制器，換向電磁閥、伺服電機、液壓缸為驅動設備的控制方法，重點講解了液壓回路、控制系統的硬件組成、電控原理以及PID參數對控制電機影響。最后，成功連接整個控制系統回路，并進行鉆床調試和實驗。實驗數據表明：該鉆床自動化加工控制系統設計合理，能夠達到實際加工要求。
關鍵詞：臺式鉆床；控制系統；液壓回路；PLC
0 引言
隨著經濟的不斷發展、智能制造技術不斷完善，對工件加工精度提高了要求，特別是機床和鉆床加工。因此，自動化加工系統進一步提高和改善，對工件加工具有重要的意義。
目前，在傳統制造行業中，傳統鉆床加工存在了很多不足之處急待解決：第一，傳統鉆床加工過程中自動化不足，面對大批量產品需要加工時，加工速度很低；第二，面對極其惡劣的加工環境下，工人加工效率低；第三，自動化程度低，直接影響到零件加工精度低下，增加了生產成本等。
因此，對自動化加工系統的研究是我們當前主要任務，國內外也有很多專家取得了突破。例如：夏長富研究的西門子 S7-200 PLC 的氣動控制搖臂鉆床，闡述了其工作原理，設計出電氣原理圖；鄧昌奇對數控鉆床的自動化控制系統進行了設計與應用，對鉆床裝置結構和控制系統進行了優化，實驗數據也能很好地驗證其檢測效果；許家忠、王東野等究了一種基于嵌入式控制器的數控鉆床控制系統，采用了VC軟件對控制系統的上位機界面進行了編寫，并且采取了一種新的算法SA對加工路徑進行了優化設計；國外也有相關研究，日本鉆床研究院設計了一款主軸自動化控制系統，實現了多軸控制、主軸進給速度控制，提高了主軸轉速和進給速度。
本文設計的自動化臺式鉆床加工控制系統主要是建立在傳統鉆床加工基礎之上，進行了一些改進。電機與主軸之間是通過皮帶進行傳動，電機轉動帶動主軸旋轉；而鉆床 Z 向垂直進給運動主要是通過液壓缸進行傳動。控制系統的改進創新點在于：
①系統控制電機采用伺服電機，可以精度控制進給位置和速度；②控制過程中主要采用PID算法進行閉環控制。
1 、臺式鉆床平臺的搭建及系統控制要求
1.1 鉆床結構組成
如圖1所示，是設計的一款臺式鉆床模型圖。其主要組成結構有：活塞桿、液壓缸筒、皮帶輪、伺服電機等等。電機與主軸之間是通過皮帶進行傳動，電機轉動帶動主軸旋轉；而鉆床 Z 向垂直進給運動主要是通過液壓缸進行傳動。
1.2 系統控制要求
將待加工的工件放到臺式鉆床工作臺上，調整X、Y（即前后、左右）方向的方向輪，待工件位于鉆頭垂直正下方時，啟動電機開關，使得主軸開始轉動，然后按下液壓泵電機開關，啟動液壓泵電機，最后按下進給運動開關，使得鉆床開始對工件進行加工處理。臺式鉆床加工工件具體工步順序要求如下：加工工步要求：
（1）工作臺X、Y方向水平移動情況：X方向移動是靠導滾珠絲杠完成的，Y方向移動也是靠滾珠絲杠完成的，兩者都是由手動操作方向輪來精確調節工件的具體位置。
（2）變頻調速：控制過程中采用變頻器進行調速，提供準確的速度控制，便于控制鉆床快進、工進、快退。
（3）工件整個加工過程可以分兩種方式來完成：
①自動循環加工：按下啟動按鈕，鉆床按照事先設定的控制程序連續完成對工件加工，直到按下停止按鈕，否則加工工作一直進行；②手動操作：在設計過程中，鉆床啟動、停止、主軸快進、工進、快退等 5 個動作步設置 5個按鈕分別控制鉆床每一步工序。
（4）當按下鉆床啟動按鈕后，鉆床主軸快進、工進、快退等工序過程必須設置行程開關，且每個動作相互之間必須有互鎖作用。
（5）在加工過程中，控制活塞缸運動的液壓缸密封性良好。
2 、液壓回路設計
2.1 液壓回路基路本組成
液壓回路基本組成部分包括五大部分：液壓裝置、介質、執行元件、控制元件、輔助部分。
本文設計的臺式鉆床活塞桿機構由液壓缸筒控制，其系統控制原理圖如圖2所示。
鉆床系統控制原理圖分為兩部分：第一部分（圖 1所示）伺服電機4控制皮帶輪3，從而帶動主軸轉動；第二部分（圖2所示），當工件到達指定加工位置時，三位四通電磁換向閥1左側1Y得電，液壓油快速進入，實現主軸快進工序；快進結束后，三位四通電磁換向閥1Y、二位二通電磁換向閥3Y、以及兩位三通電磁換向閥4Y同時得電，此時主軸進入工進；當加工完成后，三位四通電磁換向閥 2Y 得電，二位二通電磁換向閥 3Y、以及兩位三通電磁換向閥 4Y 失電，此時主軸進入快退狀態。整個加工過程液壓控制回路電磁鐵動作順序如表1所示。
2.2 液壓元件選型
本文設計臺式鉆床控制系統中主要相關元器件型號如表2所示。
2.3 液壓缸內部直徑計算
根據實際加工過程中負載大小p1=4MPa，在主軸進行工進過程中，為了防止在工進結束后繼續前進，特此在回油路中增加背壓閥，且壓力值 p1=0.9MPa，活塞桿直徑d=100mm
。根據公式可得液壓缸直徑為：
3 、臺式鉆床電控系統設計
3.1 系統硬件組成
基于PLC的臺式鉆床控制系統的基本組成結構包括主控器 plc以及外部輸入輸出設備。設計過程中主控制器采用三菱PLC，它包括電源、I/O、存儲器以及通訊端口；輸入設備包括傳感器、控制按鈕、行程開關；輸出設備主要包括換向電磁閥、電動機、繼電器以及負載（例如報警燈，鳴笛等）。控制系統基本組成結構如圖3。
3.2 電機控制原理
如圖 4 所示，是控制鉆床主軸電機 M1H 和控制液壓泵電機 M2 原理圖。其中 QS1 和 QS2 表示控制電路中的斷路開關；FU表示熔斷器；接觸器KM1、KM2為接觸器開關，主要受 PLC 中 KM1、KM2 線圈控制，當線圈得電時，接觸器開關閉合，相反接觸器開關斷開；熱繼電器FR1、FR2主要是起到保護電機的作用。
3.3 伺服電機
PID控制在自動化加工臺式鉆床控制系統中，主軸的轉速受伺服電機 M1 制，加工過程中，主軸轉速的穩定性至關重要，直接影響到工件加工精度。因此電機伺服控制對主軸的轉速具有重要的意義。如圖5所示，為電機的物理模型。
根據牛頓第二定律及基爾霍夫定律，對圖5 示意圖列出方程組：
經過拉普拉斯變換法，消除中間變量，得到傳遞函數為：
3.4 系統PLC編程
臺式鉆床自動化加工控制系統主要有兩種控制方式：手動開關控制和觸摸屏控制。主控器三菱 PLC 上的 I/O 口作為輸入、輸出，控制著整個鉆床動作。①在手動控制情況下，通過開關來控制鉆床啟動和停止，方便手動調試和檢修；②在觸摸屏控制方式下，有單周期和自動循環選擇，通過點擊觸摸屏軟開關向觸摸屏輔助繼電器發出命令，從而控制輸出線圈通斷；其中 X0急停命令，X1 為啟動命令，X2、X3、X4、X5 為相應的檢測信號。經上述分析，列出控制系統PLC的I/O分配如表3所示。
其中，開關SB1控制鉆床急停，SB2控制鉆床啟動，SQI、SQ2、SQ3分別表示主軸快進、工進、快退等限位開關，具體如圖6所示。
3.5 系統控制流程分析
如圖 7 所示，鉆床自動化加工控制功能流程圖，包括了主軸電機啟動、液壓泵點擊啟動、快速進給運動、工進運動、主軸停留、主軸快退、主軸停止等。具體每一步工序分析如下：
（1）電機啟動：當初是脈沖 M8002 作用時，系統處于原始狀態，當給PLC命令時，KN1、KM2線圈得電，此時定時器 T1 定時，時間到時接觸器開關 KM1、KM2 閉合，主軸電機和液壓泵電機主控線路接通，電機瞬間啟動；
（2）快進工序：當檢測到工件時，按下檢測工件按鈕 SB3，此時工件被加緊，夾緊后定時器 T2 定時，到達定時時間時，PLC發出命令，主軸快進；
（3）工進工序：當主軸在快進的過程中壓下行程開關SQ1時，此時PLC發出命令，主軸處于工進狀態；
（4）停留工序：當主軸在工進的過程中壓下行程開關SQ2時，此時PLC發出命令，主軸處于暫停狀態；
（5）快退工序：當主軸暫停狀態時，定時器 T3開始計時，到達指定時間后，主軸開始快退，定時器T4開始計時，到達指定時間后，主軸停止。
4、樣機實驗
自動化臺式鉆床控制系統監控建立在工業組態基礎上，設計中我們采用MCGS的TPC1162Hi觸摸屏作為本次試驗的監控設備，在MCGS中建立搬運機械手變量和PLC變量得到控制界面見圖8，并且將兩者變量相互建立關系，將整個控制系統線路連接之后，設置電機驅動器不同的 PID 參數（表 4），通過操作上位機，最終測試出在不同PID參數下機械運行狀態平穩程度，以及達到平穩狀態所需要的時間（見表 4）。而且利用 Matlab仿真實際樣機實驗得出電機趨于穩定運行狀態的最優參數，且Matlab仿真[10]PID控制階躍響時間與實際樣機測試基本吻合，證明我們本次設計結果的合理性。
5 、結論
本文以傳統鉆床為基礎，對鉆床控制系統進行設計和改進。介紹了液壓傳動和電控技術在臺式鉆床中的應用，給出了鉆床結構圖、液壓回路、電機控制、以及PLC 的 I/O 分配。通過控制電機且不斷調節 PID 參數，實現控制進給速度；最后組態王軟件建立人機交互按界面，使得控制更加清晰、簡單。該鉆床自動化改造不僅保留了原鉆床基本結構和工作性能，而且是對機械、電子技術的綜合應用，實現了自動化加工。
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