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豳啜—強(qiáng)圜l Academic·Papers 基于PLC的組合機(jī)床控制系統(tǒng)木 The Control System for the Modular Machine Tool Based on PLC 張偉中 沈軍達(dá) (浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，杭 州310053) 摘要：闡述了基于PLC的組合機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的控制原理、硬件選擇、程序設(shè)計(jì)。運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，運(yùn)行可靠，提高了經(jīng)濟(jì)效益。 關(guān)鍵詞：組合機(jī)床PLC 控制系統(tǒng) Abstract：Combine with the sample of the PLC control system for modular machine tool in hangzhaou advance gearbox group，the systems control principle，component choose，and programer design are studied in this pape．And the results of parctice show that its structure is simple，its operation is convenient，and its run reliable．The application of this system can improve its benefit． Key words：modular machine tool PLC Control system 0引 言 組合機(jī)床是對(duì)某種工件進(jìn)行特定加工的一種高效率、自動(dòng) 化專用加工設(shè)備。原有的控制電路為繼電器、接觸器控制。其觸 點(diǎn)多，線路復(fù)雜，故障率高，給操作及維修人員帶來(lái)不便．并影 響生產(chǎn)率的進(jìn)一步提高 而PLC是一種專用工業(yè)控制器．功能 強(qiáng)大，操作方便，可靠性高．能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境．在各種工 業(yè)控制領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用 本文使用歐姆龍公司CPM2A型． 以杭州前進(jìn)齒輪箱集團(tuán)用于加工齒輪箱體兩個(gè)通孔的組合機(jī) 床為對(duì)象．對(duì)其電氣控制部分進(jìn)行了改造 1控制功能和原理 1-1 組合機(jī)床基本組成 (1)動(dòng)力部件用于實(shí)現(xiàn)主軸的左、右運(yùn)動(dòng)和液壓油的供 給，以及驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)的運(yùn)動(dòng)和夾緊裝置動(dòng)作。 (2)運(yùn)動(dòng)部件 主要包括主軸及用于完成機(jī)床部件的移動(dòng) 與機(jī)床各部件之間的傳動(dòng)部分．包括主軸、進(jìn)給滑臺(tái)、工作臺(tái)、 傳動(dòng)皮帶輪調(diào)速、夾緊裝置等 (3)支承部件是機(jī)床的基礎(chǔ)部件，用于支承、安裝組合機(jī) 床的其他部件。主要部分有床身、立柱、立柱墊。 除此之外，組合機(jī)床還有用于機(jī)床加工、冷卻、排屑、潤(rùn)滑 等輔助動(dòng)作 1．2組合機(jī)床動(dòng)作過程 該組合機(jī)床主要目的是實(shí)現(xiàn)齒輪箱箱體左、右兩個(gè)通孔的 加工，為此工位有3個(gè)：第一個(gè)是工件的夾緊工序；第二個(gè)是鏜 孔工序(主軸)；第三個(gè)工位做裝卸工具用。其加工動(dòng)作過程為： 左、右滑臺(tái)同時(shí)快進(jìn)；左、右滑臺(tái)同時(shí)工進(jìn)；左、右滑臺(tái)同時(shí)快 退；夾緊缸夾緊；夾緊缸松開；回到原位。 1．3改造設(shè)計(jì)思路 1．3．1設(shè)計(jì)思路 根據(jù)具體設(shè)備加工要求．考慮綜合因素．改造設(shè)計(jì)思路如 下：(1)原有機(jī)床的加工工藝步驟保持不變；(2)原有的電氣系 統(tǒng)的操作方式不變；(3)在改造過程中，機(jī)床原有的按鈕、行程 開關(guān)、控制變壓器、交流接觸器及熱繼電器等繼續(xù)使用，總停按 鈕繼續(xù)使用常閉觸頭。油路和液壓缸等都繼續(xù)使用；(4)將原有 的繼電器控制線路改由PLC實(shí)現(xiàn)。 1．3．2 PLC選型 經(jīng)過詳細(xì)分析組合機(jī)床控制要求．系統(tǒng)需要22個(gè)輸入點(diǎn)、 基金項(xiàng)目：浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院孵化基金資助項(xiàng)目，課題名稱“專用數(shù)控設(shè)備研制”(編號(hào)20080103)。 作者簡(jiǎn)介：張偉中 碩士，講師。研究方向?yàn)閿?shù)控系統(tǒng)方向理論及應(yīng)用技術(shù)。 沈軍達(dá)機(jī)電教研室主任．高級(jí)工程師。學(xué)科帶頭人。 64機(jī)電一體化{2．"09 4 15個(gè)輸出點(diǎn)，都為開關(guān)量。因此．選用OMRON 4O點(diǎn)的 CPM1A一40CDR．其中輸人點(diǎn)24個(gè)。輸出點(diǎn)16個(gè)。在滿足要求 的同時(shí)也留有一定的裕量 1．3-3控制功能模塊圖 該組合機(jī)床控制系統(tǒng)改造后核心模塊為PLC．主要的輸入 模塊包括啟動(dòng)、停止按鈕，夾緊、松開開關(guān)，左右運(yùn)動(dòng)點(diǎn)動(dòng)和自 動(dòng)的開關(guān)等。輸出模塊主要包括左右滑動(dòng)的實(shí)現(xiàn)、動(dòng)力源起停 控制、各指示燈、保護(hù)措施等。見圖1。 竺 r_r——一 巫 c A ．J(主機(jī)) 左右滑臺(tái)點(diǎn)動(dòng) ／自動(dòng)開關(guān) 左／右運(yùn)動(dòng)電磁閥 泵／電機(jī)動(dòng)作實(shí)現(xiàn) 各類指示燈 備用電機(jī)電磁閥 ===：================ 有關(guān)動(dòng)作保護(hù) 圖1控制功能模塊示意圖 2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 改造后?？刂茖?duì)象為M1液壓泵、M2左邊主軸電動(dòng)機(jī)、M3 右邊主軸電動(dòng)機(jī)，分別由交流接觸器KM1、KM2、KM3控制。主 電路電壓為380V，由電網(wǎng)提供：3臺(tái)電動(dòng)機(jī)控制用的交流接觸 器繼續(xù)使用原有的．其控制電壓為220V．仍由原有的控制變壓 器提供；電磁閥的直流控制電壓為24V．還由原來(lái)的整流電路 提供。經(jīng)分析確定PLCI／O點(diǎn)的分配表后，繪出其輸入、輸出硬 件的接線見圖2 0l001 O1002 O】OD3 0l0o4 O1005 0l()06 OlOo7 Yv8夾緊 油泵開 左主軸 右主軸 圖2 PLC輸入、輸出接線圖 控制系統(tǒng)具體動(dòng)作實(shí)現(xiàn)分析如下 (1)電磁閥YV1、YV2、YV3控制左工作臺(tái)的進(jìn)給．電磁閥 YV4、YV5、YV6控制右工作臺(tái)的進(jìn)給。 (2)當(dāng)SA1打到手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，按下SB3按鈕，YV8得電， 主軸夾緊；按下SB5按鈕，電磁閥YV2、YV3得電．左工作臺(tái)點(diǎn) Academic·Papers l暖盼—圈圜 動(dòng)快進(jìn)；按下SB6，電磁閥YV1得電，左工作臺(tái)點(diǎn)動(dòng)快退：按下 SB7，電磁閥YV2得電，左工作臺(tái)點(diǎn)動(dòng)工進(jìn)；按下SB8按鈕．左 軸點(diǎn)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)；按下SB9按鈕，電磁閥YV5、YV6得電 左工作臺(tái) 點(diǎn)動(dòng)快進(jìn)；按下SB10，電磁閥YV4得電，左工作臺(tái)點(diǎn)動(dòng)快退：按 下SB1l。電磁閥YV5得電，左工作臺(tái)點(diǎn)動(dòng)工進(jìn)：按下SB12按 鈕．左軸點(diǎn)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn) (3)當(dāng)SA1打到自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，按下SB3按鈕，YV8得電，主 軸夾緊。左自快進(jìn)．撞到位置開關(guān)SQ1．位置開關(guān)SQ1常開閉 合；左自工進(jìn)，撞到位置開關(guān)SQ2，位置開關(guān)SQ2，常開閉合；左 自快退，撞到位置開關(guān)SQ0；右自快進(jìn)，撞到位置開關(guān)SQ4，位 置開關(guān)SQ4常開閉合；右自工進(jìn)，撞到位置開關(guān)SQ5．位置開關(guān) SQ5常開閉合；右自快退．撞到位置開關(guān)SQ3 (4)位置開關(guān)SQO、SQ3常開閉合、常閉斷開，循環(huán)結(jié)束。 3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 該P(yáng)LC控制系統(tǒng)的軟件由公用程序、全自動(dòng)程序、半自動(dòng) 程序、手動(dòng)程序以及故障報(bào)警程序等六部分組成 主要功能程 序按照控制要求，按照手動(dòng)和自動(dòng)兩個(gè)模進(jìn)行順序設(shè)計(jì)．使程 序邏輯清楚，便于維護(hù)與擴(kuò)展。順序功能圖見圖3。 PLC上電后，PLC自動(dòng)循環(huán)掃描程序：如果該手動(dòng)執(zhí)行條 00002+O(O01+00107 油泵開 H 0l104 夾緊缸夾緊L一01103 左、右快進(jìn) 01005 01006 0ll00 Ol101 01105 01l06 左、右工進(jìn)H 01005 01100 O1106 Ol105 左、右快退主軸停H 01004 01007 夾緊缸松開 左、右原位 L-J 01002 圖3程序順序功能圖 (下轉(zhuǎn)第69頁(yè)) 扮 4}機(jī)電一體化65 m m 咀mⅢ 瞄吡 叭 叭叭一叭 叭叭 躲 腿鉀帖 帆∞舵m∞¨m∞傀 ∞吆郵∞ llllll l1 2 5 4 3 21 0 l¨ B 7 5 5l 3 ZI 剛嘲眥 葶i嗽 i；} 辱} 4．1．3列車制動(dòng)力的計(jì)算 制動(dòng)是列車調(diào)速的重要手段．尤其在限制速度、下坡道及 進(jìn)站停車時(shí) 列車的制動(dòng)模式分為常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)兩種。 正常駕駛時(shí)采用常用制動(dòng)．遇到突發(fā)事件時(shí)啟用緊急制動(dòng)。列 車制動(dòng)包括電制動(dòng)和氣制動(dòng)．電制動(dòng)力由列車牽引電機(jī)施加， 其計(jì)算方法與前面牽引力計(jì)算方法類似。由于電制動(dòng)力與列車 速度有關(guān)．因此列車制動(dòng)時(shí)常輔以氣制動(dòng)來(lái)達(dá)到制動(dòng)減速的目 的。列車運(yùn)行的中途過程中．由于運(yùn)行線路不同，對(duì)列車的限制 速度也不同．一旦列車因超目標(biāo)速度而進(jìn)入常用制動(dòng)模式 列 車的速度呈遞減趨勢(shì)．此時(shí)列車的牽引力為零。氣制動(dòng)力為 B2=m 二 一只一Bl。 (7) t 其中，曰。為電制動(dòng)力， 為氣制動(dòng)力，m為列車總質(zhì)量， 。為列 車當(dāng)前速度 為列車目標(biāo)速度，t為制動(dòng)時(shí)間， 為列車阻力。 要求獲得的最大減速度不超過一1．0m／s2。列車進(jìn)站停車時(shí)，由于 對(duì)進(jìn)站速度及停車位置的準(zhǔn)確性有嚴(yán)格的要求．因此我們采取 分段制動(dòng)的方法．即列車離停靠站臺(tái)某一固定距離時(shí)．在該點(diǎn) 至停車點(diǎn)處設(shè)置若干限速區(qū)間 限速區(qū)間內(nèi)制動(dòng)力的求解方法 與式(7)類似。列車緊急制動(dòng)時(shí)，我們一般取減速度為一1．3 m／s 。 3．2邏輯控制模型 實(shí)際列車的控制系統(tǒng)是非常復(fù)雜的．但由于該虛擬駕駛仿 真系統(tǒng)的硬件資源有限．我們按其功能實(shí)現(xiàn)可簡(jiǎn)化為以下幾個(gè) 模塊：駕駛模塊、制動(dòng)模塊、照明模塊、受電弓控制模塊、推進(jìn)模 塊、門控制模塊。 駕駛模塊主要完成喚醒列車、斷開列車、鑰匙開關(guān)閉合、司 機(jī)駕駛臺(tái)指示燈的顯示、除霜、司機(jī)室的風(fēng)擋清洗、列車救援用 到的掛鉤解鉤等功能。照明模塊實(shí)現(xiàn)客室普通照明、緊急照明、 司機(jī)室照明、頭燈尾燈閱讀燈的功能。受電弓控制模塊完成受 電弓的升降功能 制動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)列車所需要的常用制動(dòng)和緊急 制動(dòng)功能 推進(jìn)模塊主要的功能有列車駕駛模式的選擇．以及 Academic·Papers l島田—圈圜 對(duì)主控器駕駛手柄位置解碼的功能。門控制模塊主要實(shí)現(xiàn)門的 開關(guān)功能。 根據(jù)對(duì)這些模塊的分析，我們可建立模塊方框圖，見圖4。 圖中每個(gè)模塊并不是孤立的，它們之間存在著聯(lián)系，各個(gè)系統(tǒng) 之間的變量傳遞可以在程序中通過設(shè)置全局變量實(shí)現(xiàn)。 圖4控制系統(tǒng)的模塊圖 4結(jié)束語(yǔ) 列車虛擬駕駛仿真系統(tǒng)包括虛擬控制臺(tái)、列車運(yùn)行虛擬場(chǎng) 景等．通過驅(qū)動(dòng)場(chǎng)景和噪聲仿真．可以給駕駛者提供一個(gè)較逼 真的環(huán)境．使列車司機(jī)培訓(xùn)不用復(fù)雜的設(shè)備和較大的場(chǎng)地就能 使駕駛者對(duì)列車的駕駛技術(shù)有較深的了解．達(dá)到了節(jié)省資源提 高效率的目的。 參考文獻(xiàn) [】]徐安．城市軌道交通電力牽引[M]．：lli~：中國(guó)鐵道出版社，2007． [2]王裕儉．基于Muhigen Creator和Vega的虛擬現(xiàn)實(shí)探討[J]．測(cè)繪 信息與工程，2003(4)：4—7． [31高志偉．Visual c++程序設(shè)計(jì)教程與上機(jī)指導(dǎo)[M]．北京：北京大學(xué) 出版社．2006． [4]JOHN R WILSON．Virtual environments and ergonomic：needs and opportunities[J]．Ergonomics，1997．40(10)：4O—43． (上接第65頁(yè)) 件滿足。則執(zhí)行手動(dòng)的功能；如果自動(dòng)的執(zhí)行條件滿足，就執(zhí)行 自動(dòng)順序控制。進(jìn)人工作流程。同時(shí)，每一步過程都要檢測(cè)該工 步條件是否允許才進(jìn)入下一步 4系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行 系統(tǒng)調(diào)試將手動(dòng)與自動(dòng)操作控制獨(dú)立分開．自動(dòng)操首先保 證單機(jī)程序調(diào)試成功后．再轉(zhuǎn)入連續(xù)控制．最后連系統(tǒng)試運(yùn)行。 由于PLC可靈活、方便地通過編程來(lái)改變控程．使調(diào)試變得更 簡(jiǎn)單 該系統(tǒng)經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行表明，性能可靠，自動(dòng)化程度 高，完全能滿足生產(chǎn)工藝要求．不僅了生產(chǎn)效率，而且大大減輕 了勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了工作環(huán)境。 5結(jié)束語(yǔ) 該P(yáng)LC控制的組合機(jī)床控制系統(tǒng)在杭州前進(jìn)齒輪廠使用 了1年多，實(shí)踐證明系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，可靠性高，經(jīng)濟(jì)效益明 顯：已經(jīng)在該廠組合機(jī)床改造二期項(xiàng)目上得到應(yīng)用。 參考文獻(xiàn) [Ij戴一平．可編程控制器技術(shù)及應(yīng)用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2004． [2]王淑英．電氣控制與PLC應(yīng)用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005． ?o( 9 f機(jī)電一體化69