多工位钻镗组合机床自动控制系统设计方案

1、多工位钻镗组合机床自动控制系统设计 制造技术与机床 摘要：介绍了以PLC控制技术为中心，以触摸屏作为人机界面的多工位钻镗组合机床自动控制 系统。根据该机床的工作原理和控制要求，给出了控制系统的硬件配置及软件设计思想。 关键词:触摸屏PLC钻镗组合机床 组合机床一般采用多轴、多刀、多工序、多面或多工位同时加工的方式，生产效率比通用机 床高几倍至几十倍。组合机床兼有低成本和高效率的优点，在大批、大量生产中得到广泛应 用,并可用以组成自动生产线。但传统的组合机床采用继电器）接触器控制系统接线复杂，故 障率高，调试和维护困难。社会的发展、企业的竞争使人们对控制系统的可靠性和实时监控 提 出了更高的要求

2、。因此，将PLC控制技术应用于机床，大大提高了自动化程度和工作效率，同 时减少了大量继电器的硬件接线，工作的可靠程度也显著增加。采用触摸屏作为人机界面 ，大 大减少了输入、输出点数，还可实时监控机床各设备的工作状态，方便了操作与维修，具有无 可比拟的优点。本文以八工位钻镗组合机床为例 ，做些说明。 1工作原理与控制要求 1.1工作原理 八工位钻镗组合机床主要用于钻孔和镗孔。它有 6个加工位（2个工位用于立式钻，4个工位 用于不同精度等级要求的镗）、1个预留工位（为增加加工工艺时备用），1个工位用于人工取 放工件。工件传送，通过回转台旋转来完成。系统全自动工作过程如图 1所示。 图1紘針动琲醴郦

3、 其中，回转台和两钻床滑台由液压系统驱动，各动力头及四镗床滑台由电动机驱动，每个滑台 都由两台电动机(快速进退电动机、工进电动机)驱动。液压系统中各电磁阀的通断电状态及 其相应的动作,如表1所示。表中,标明/+0者表示电磁阀线圈通电,未标明者表示电磁阀线 圈处于断电状态。 表1 电或阀通断电状态反其相应动作表 +tl鞋応动作 a：j 百; 凹特工作台 钻位 钻II位 KA KA EKA； g KA K 5 K A SKA r KA i i K.X ? K A KA 1 I 回 转 工 作 台 治起 十 4- 嚴转 + 4- 落下 + + + 钻I |位 河蠢 头 次进 + + + + + 工进

4、 4 快退 + + + 1.2控制要求 1.2. 1 控制方式 控制方式采用手动、半自动和自动 3种方式。 手动方式：供维修用。由按钮对每一工位加工进行单独控制。 半自动方式：供维修用。每按一次起动按钮，回转台转一个工位，钻镗同时加工，加工完毕自动 停止。 自动方式：正常工作用。当按下起动按钮时，钻镗组合机床周而复始地执行各步动作 ，直到按 下停车按钮为止。 1.2. 2 工艺要求 (1) 系统工作之前首先启动液压泵，液压泵正常工作并满足液位要求时系统启动。 (2) 为减少摩擦和磨损，系统定时启动润滑泵对机器进行润滑。 (3) 各设备启停必须符合生产工艺要求，必须具备完善的闭锁关系。 (4)

5、为防止因行程控制的限位开关失效而损坏设备，设置超行程保护开关。 2系统的硬件设计 系统硬件组成如图2所示。 約开关 tHNft E位 林钢 r晔头站 做I*林購血 醐台 I IH咖 IK头修点 r Jtrn1 I it 鸽 MM 邮也开关 1.5 2.0 12.1 0.1 0.2 0.4 0.5 0.8 10.7 1.0 TP21-10 to* 舲鮒 轉也开关 輒电赫 13.2 13.3 13.4 6L- 苗述境电液 r I it硼 I舲氏 l抹电加 舲快进 It拠 13.5 13.6 13.7 14.0 14.1 吵; SIBS 1 4 1 1 CHJ224 1 Ei223OI10/DO18

6、 X24VDC/1!电 d 0223011询10 I X24VDC/fl IHATI0 $卜0 / 1 1.2 1.3 Q00 01.0 03.0 00.3 04.4 IM 15.1 即硼件斛 05. 03.2 -F -F -r MJ 05.0 紙泵电純 林电繃 型蛀絶剤i 耐如* it 台 tw 舲就 快J 快於I 工斗齡II 鮭丿 2. 1PLC PLC是整个控制系统的核心，采用西门子公司的S7）200系列的主控模块 CPU224 CPU224有 14个输入点 , 10 个输出点 , 可连接 7个扩展模块 ,最大扩展到 168 路输入/输出点或 35 路模 拟输入 / 输出点。 2. 2I

7、/O 模块及接口 根据系统设备数量及其工艺要求 , 所需输入点数为 41 点, 输出点数为 33 点, 我们选择 2 块 EM223DI16/2DO1624VDC电器（16点输入/16点输出）扩展模块。输入端连接液位及液压信 号、控制回转台、钻及镗滑台动作的各位置信号和各设备动作的返回信号 （接触器的辅助常 开触点 ）。输出端连接控制各台电动机动作的接触器线圈和控制液压系统工作的各电磁阀 线圈。 2.3 触摸屏 系统采用西门子公司TP27式触摸屏,PLC和触摸屏之间用RS485接口进行通讯连接。触摸屏 软件的开发使用专用组态工具 Protool 。 3 系统软件设计 3. 1 PLC 程序设计

8、 为方便地增加或删减程序模块 , 同时也便于针对不同程序模块进行完善 , 程序设计采用模块化 结构。整个程序包括初始化、手动、自动及半自动、润滑和事故报警等程序。其中, 手动程 序和自动程序的转换通过跳转指令来实现 （当 M0. 0=1 时,不执行跳转指令 ,执行手动程序。 当 M0. 0=0 时, 执行跳转指令 , 执行自动程序 ）。 3. 1. 1 初始化模块 对所有使用的中间继电器 M定时器T和数据寄存器D进行初始化处理，对一些需要初值的 参量赋值。 3. 1. 2 手动模块 控制每一步动作按钮的常开触点与工艺上执行该动作的条件相串联 , 驱动与执行该动作的接 触器线圈（或电磁阀线圈）相

9、连的PLC输出端继电器线圈,如图3所示。图中,I6. 0、I6. 1、16. 2、I6. 3、16. 4、1615及I616分别为触摸屏上控制回转台、钻I位、钻U位、镗 I位、镗U位、镗川位及镗W位的按钮所对应的PLC元件。17. 0、17. 1、I7. 2、I7. 3 分别为触摸屏上控制回转台、钻镗各位前进、后退及主轴启动按钮所对应的PLC元件。 0 Q4O 16.e I-Z.3 QO. 1 QO.a 逅E Q4 O Y 1 6.0 T37 T _IF 0.3 QO.3 Y 主 N6.O 10.3 HIIH 16O T3 16. 1 K72 IO HIlr Q-S 16IV *11.0 TI

10、HH/I- Q4C 1O-T 1BO F7 O M 1 O NO.O T III_MH-r 2LV HIIF 1O.4 -n TfII- G.6 17.1 XI 6 Q3 OQ2 7 T_II_H14 H)6Q3 rHIIIM_14HII Q27 133MIC HIII 7.2 K3.a Q27 IIH14 3.3 3. 1.3自动及半自动模块 鉴于钻、镗各工位机床均为顺序控制，梯形图中用顺序控制指令来实现，如图4所示。 MO. 1 MO.O M 1.0 VO.O w SMO.O T1 SIxO -4 sen QX.7 -_ so.o SMO.O Tl T4O SO.O 1 4 SCR T4Q

11、 IN TON FT so 1 0-7 斗l Sl.l sc ft?) ySCREj SI .1 SMO.O T SMO.O 1A 1 SMO-O 10.2 讣 SCRT) SCRE) SQJl Q-J so.a | sck | J T43 10,5 卄 SCRE) SMO-Q If SMOO fl .O QOrS 0-0 SMO.O II smo,o io.e T II 卜一 QO-3 I S l .3 9CWT) SMO.O UL T K- S6.O SCR Q2.7 ()快遴 . i SCRT) S6- 1 scrJ Q3.2 工遴 13.5 S1.O S3 .o -SCRT) Sft

12、-O T4* T卜 so.-4 SCRT SO.4 Q4.4 ()遊冋 QO.2 #*却 H4 自动樫序梯形图 S6.3 SCRT - 石心豆I Q3.O S3.3 S4.3 S6,3 SMO-O HI 3.2 寸I V0. 1 MO. L Ifi. 1 处于半自动时（MO.仁1）,用M0. 1的常闭触点控制下个周期工作循环的初始位的状态。由图 可知,当M0.仁1时，下个周期工作循环的初始位 SO. 0不置位（SO. 0 =0）,不进行下个周期 工作循环（系统工作在半自动方式下）。当M0. 1=0,M0. 2=1 （系统工作在自动方式下）,且18. 仁0时（系统工作在自动方式下未发出停车命令）

13、,下个周期工作循环的初始位 S0. 0置位（S0. 0 =1）, 进行下个周期工作循环。当系统工作在自动方式下 , 一旦检测到有停车命令时 （I8. 仁1）,下个周期工作循环的初始位 S0. 0不置位（S0. 0 =0）,也不进行下个周期工作循环。图 中,M0. 0、M0. 1及M0. 2分别为手动、半自动、自动控制方式的标志位，与触摸屏上控制 方式按钮相对应。 I8. 0 、 I8. 1 分别为触摸屏上自动控制方式下系统工作启动按钮、停车 按钮所对应的PLC元件。M1.0为各机床及回转台均处于原位的信号标志。M3. 0为液压泵 启动液位正常、润滑电动机间歇启停次数满足要求时发出的信号。 S1

14、. 3 、 S2. 3、 ,S6. 3 分别为钻I位、钻U位、,镗川位及镗W位机床工作返回到原位的标志信号。 3. 1. 4 润滑模块 通过定时器和计数器来控制润滑电动机间歇启停。系统工作时 , 液压泵启动 , 接着启动润滑电 动机, 由定时器控制其运行时间 （时间长短根据实践经验定 ）。电动机启停次数由计数器来计 数（ 启停次数根据实践经验定 ） 。 3. 1. 5 事故报警模块 PLC的输入端联接各设备接触器的辅助常开触点,通过检测PLC输入端的状态来判断设备是 否出现故障比如,钻I位主轴电动机工作时（Q0. 3=1）,PLC输入端14.仁1。程序中,通过Q0. 3的常开触点与 I4. 1

15、 的常闭触点串联 ,驱动 V1. 0,V1. 0=1 使触摸屏上的灯闪烁 ,显示故障 设备。 3.2 触摸屏软件设计 使用 Protool 软件做好人机界面。鉴于系统实际工作的特点 , 配置主、副画面 , 主画面用于自 动/半自动控制方式 , 副画面用于手动控制方式。在主画面上配置各种部件 :画面选择开关、 各种按钮 （ 自动控制方式按钮、半自动控制方式按钮、启动按钮、停车按钮、紧急停车按 钮） 、指示灯 （控制方式显示、液位显示、故障显示 ）等。副画面上配置各种部件 : 画面选择开 关、钻镗 各位控制按钮及钻镗各位每一步动作按钮 （滑台向前、向后、主轴起动 ）、回转台起动按钮、 冷却及润滑起

16、动按钮、冷却停车按钮等。现以一个起动按钮为例 , 说明部件的配置过程。 （1）点击作图软件中的部件选择工具条 , 在部件库中点击开关图标 , 从多种开关类型中点击所 要选择的开关（选择手指按上时ON手指离开时OFF）,开关属性设置窗口随即打开。在打开的 开关属性设置窗口中，输人与此开关相连的PLC功能存储器的名称1810。 （2）点击窗口中的放置按钮 ,再点击一下欲放置开关的位置 ,开关就被放置在当前位置。 （3）双击已放置好的开关 , 可以编辑开关上所显示的字符 , 例如把字符编辑为 / 启动 0, 把/ 启动 0 拖放到开关上的合适位置后关闭编辑窗口 ,完成/启动 0 按钮的配置。这个启动按钮的功能 为：手指按上时,PLC中的18. 0被设置为ON手指离开时，18. 0则被设置为OFF采用相 同的方法可配置画面上各种元件，通过配置画面每个元件和 PLC中的对应元件建立了一一对 应关系 ， 根据此关系方便地编制程序。 4 结语 组合机床的工作过程 ， 无论工位多少都大致相同 ， 即： 旋转台旋转到位 （旋转台抬起、旋转、落下、回转 ）， 由刀具的旋转运动和刀具与工件的相 对进给运动，来实现钻孔、扩孔、锪孔、铰孔、镗孔、铣削平面、切削内外螺纹以及加工外 圆和端面等