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        倒角機的數(shù)控化改造

        2014-11-28 10:12:42吳岳敏羅敏雷鈞劉凌云馬彬
        湖北汽車工業(yè)學院學報 2014年4期
        關鍵詞:滑臺刀架伺服電機

        吳岳敏,羅敏,雷鈞,劉凌云,馬彬

        (湖北汽車工業(yè)學院電氣與信息工程學院,湖北十堰442002)

        隨著自動化程度的不斷提高,生產效率也在不斷提高。傳統(tǒng)加工大量使用手動機床,因此需要技術熟練工人操作,廢品率較高,質量穩(wěn)定性差,且一般工人培養(yǎng)成熟練工人成本較高。要想改變這種狀況有2種途徑:1)重新購置自動化加工設備。根據(jù)工件的加工特點購置,這類設備一般都為專用設備,購置成本高,而且普遍適用性差。2)將手動機床進行自動化改造,該方法節(jié)省成本,而且改造后的設備是針對該工件加工的,專機效率高。本次項目實施過程中,由于相同類型機床較多,設備的機械傳動部分基本正常而且磨損較小,為節(jié)省成本,選擇將機床進行自動化改造。

        1 總體方案

        由于后續(xù)加工需要利用圓邊定位,傳遞動力使圓筒旋轉,因此需要在圓筒端部內側加工一個60°倒角,外側加工一個45°的倒角,且倒角邊長有一定的尺寸要求,同時要求該設備能滿足多品種圓筒的倒角。

        改造前設備是采用手搖輪驅動絲桿旋轉,將刀固定在滑臺上之后,通過一個換位操作桿決定手搖輪驅動哪個軸進給,當選擋操作桿處在A位置時,控制軸向進給;當選擋操作桿處在B位置時,控制徑向進給。通過以上操作,控制十字滑臺在平面內滑動,通過操作工人判斷是否加工到位,加工完成之后,測量是否合格。

        由于設備所加工的圓筒直徑是一個個的確定值,并不是連續(xù)變化的連續(xù)值,所以本次改造中將選擋裝置去掉,使用伺服電機驅動軸向進給,通過不同的刀具以及刀頭的方位確定徑向尺寸。通過軸向和徑向進給控制刀具在二維平面內的加工尺寸。機械系統(tǒng)加工原理圖如圖1所示。由于單個品種只需加工2個倒角面,圖1中四刀位刀架可以加工2個品種,如需加工更多品種只需要更換刀位的刀架即可。

        圖1 機械系統(tǒng)圖加工原理圖

        傳統(tǒng)加工必須是X-Y 二維平面,必須采用數(shù)控系統(tǒng)、2套伺服電機加驅動,設備昂貴。在項目實施過程中由于經費有限,必須采用經濟且能達到要求的方案。考慮到所加工的管材端面在尺寸上全部都是一個個離散量,不需要連續(xù),所以采用電動刀架上刀具的長短取代一個軸(X軸),即只需要控制電動刀架的旋轉,從而控制刀在該軸(X軸)方向上的長度,在進給方向(Z軸)上則通過伺服電機控制絲桿旋轉,從而驅動滑臺的運動。單軸的控制,只需要采用帶高速脈沖輸出的PLC直接驅動伺服電機可,無需采用昂貴的數(shù)控系統(tǒng)。通過該方案,可以滿足加工要求,同時降低成本。

        該系統(tǒng)中通過伺服電機帶動絲桿旋轉來驅動滑臺在工件軸向(X軸)的位置,通過設置刀具形狀、長度及位置確定徑向(Y軸)位置。圖1中虛線圓即加工時刀具的軌跡,不同刀具徑向長度不一樣。通過二者的結合,實現(xiàn)二維平面(X-Y平面)的位置控制,從而控制不同管徑工件的端面加工。

        2 硬件系統(tǒng)設計

        2.1 PLC系統(tǒng)設計

        控制系統(tǒng)采用PLC為控制器,可以向外輸出100 kHz 脈沖,將脈沖輸送到安川伺服驅動器,驅動伺服電機旋轉。系統(tǒng)的輸入輸出采用臺達觸摸屏,組態(tài)相應界面,將工件的選擇在觸摸屏上完成,同時可以實時監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài),將系統(tǒng)運行中的各項參數(shù)顯示出來。采用電動刀架換刀,配合必要的按鈕和指示燈運行。PLC系統(tǒng)結構見圖2。

        圖2 PLC系統(tǒng)結構圖

        系統(tǒng)采用三菱FX3G-40MT PLC,可以輸出最大100 kHz的脈沖,具備24點I/O輸入,16點I/O輸出。觸摸屏采用臺達DOP B10S411 觸摸屏,該屏為10.4寸,采用422通信口直接和PLC通信。

        2.2 電動刀架

        選用LD4系列四工位電動刀架。當控制系統(tǒng)發(fā)出換刀信號之后,刀架電機正轉,減速機構和升降機構將上刀體升至一定位置,離合轉盤起作用,帶動上刀體旋轉到所選到位,當?shù)轿粰z測裝置檢測到刀體到位信號之后,電機停止200 ms 左右之后,電動機反轉,上刀體下降,齒牙盤嚙合,完成精確定位,并通過蝸輪蝸桿、鎖緊螺母,使刀架鎖緊[1]。該刀架可以選擇使用自動換刀和手動換刀,通過在控制面板上設置旋鈕選擇換刀方式。PLC與電動刀架的連接如圖3所示。

        圖3 PLC與電動刀架的連接圖

        圖3中PLC向刀架發(fā)出旋轉方向控制信號,控制刀架的正轉和反轉。電動刀架向PLC反饋4個刀位的位置信號,同時反饋刀具鎖緊信號。本設計所選擇的刀架為反邏輯,即當?shù)都芴幵?號到位時,1號刀位檢測信號為“0”,2、3、4號刀位檢測信號為“1”;當任意一把刀具鎖緊時,刀具鎖緊信號為“1”。電動刀架的軸向位置由設置在機床上的一個位置確認開關決定,每次開機時操作機床在軸向運行尋找該點,由于該點位置已經確定,當開關檢測到信號時,即可確定滑臺當前的準確位置。

        2.3 伺服連接

        系統(tǒng)中伺服系統(tǒng)采用位置控制方式,PLC向伺服驅動器發(fā)送脈沖加方向信號控制電機旋轉速度、位移和方向。

        3 軟件系統(tǒng)設計

        3.1 觸摸屏組態(tài)

        選用DOP-B10S411 觸摸屏,該屏用于加工計數(shù)、報警記錄、工件選擇等的輸入輸出。同時,考慮到所加工工件可能會發(fā)生變化,相關參數(shù)會發(fā)生變化,需要重新調整,觸摸屏是參數(shù)輸入的較好選擇。根據(jù)以上分析,工件選擇畫面組態(tài)見圖4。

        圖4 工件選擇畫面組態(tài)圖

        以1號工件為例:在新工件加工之前,需要在1號工件的參數(shù)設置中設置好工件半徑、工件長度等參數(shù),然后在自動方式下選擇1號工件,PLC系統(tǒng)按照加工1號工件的參數(shù)加工工件,同時在1號工件顯示框中,顯示1號工件加工的數(shù)量。如需清除計數(shù)數(shù)字,則在參數(shù)設置中復位。此時參數(shù)設置窗口設密碼保護,需核對密碼才能更改其中的參數(shù)。

        3.2 電動刀架程序設計

        電動刀架的換刀主要是控制刀架電機的正反轉,反饋信號為刀位信號和刀具鎖緊信號。換刀過程包括以下動作:1)有換刀指令時,刀架電機正轉;2)檢測到目標刀位信號,刀架電機停止正轉;3)適當延時;4)電機反轉;5)檢測到鎖緊信號,停止反轉。以選擇2號刀為例來說明電動刀架的換刀程序流程,如圖5所示。

        圖5 電動刀架的程序設計流程圖

        3.3 PLC系統(tǒng)程序設計

        本設計是基于三菱PLC,在程序運行之前,需要在觸摸屏上設置工件參數(shù),包括滑臺在當前位置向工件方向的位移、確定加工內角時所使用的刀號、加工時的位移、加工外倒角所使用的刀號和加工時滑臺需要行進的位移。參數(shù)設置好之后,在自動方式下,PLC調用參數(shù)控制系統(tǒng)運行,完成加工后自動回到原點。

        系統(tǒng)運行過程中,位移參數(shù)是保證加工質量的關鍵。每次開機時需要確定滑臺的位置,在適當位置安裝零點位置開關,操作機床在軸向運行尋找該點。由于該點位置已經確定,當開關檢測到信號時,讀入位置信息即可確定滑臺當前的準確位置。

        伺服電機采用位置控制方式,位移主要是通過PLC向伺服驅動器發(fā)送脈沖和方向等信號,通過計算傳動比,將滑臺在工件軸向的滑動距離轉換成伺服電機的旋轉角度,通過控制PLC發(fā)送脈沖頻率和脈沖數(shù),控制伺服電機運行的速度和轉動角度。FX3G系列PLC通過PLSY 指令控制高速脈沖的輸出,其格式為[PLSY K50000 K1000 Y0]。該指令有2個操作數(shù),K50000 代表從PLCY0 口輸出的脈沖頻率為50000Hz,K1000表示從Y0 口輸出的脈沖數(shù)量為1000個[2-3]。通過以上2個參數(shù)可以設置電機的旋轉速度和旋轉角度,即控制滑臺的滑動速度和位移量。以2號刀和3號刀為例編制程序流程圖,如圖6所示。

        每種工件的加工需要2 把刀,將刀具安裝調整好之后,通過電動刀架換刀可實現(xiàn)不同工序的加工。若后期需要增加更多不同工件的加工,只需要更換電動刀架,安裝更多的刀即可[4];軟件上只需要重新編制換刀加工程序即可。

        圖6 PLC軟件的控制流程圖

        4 結論

        利用PLC控制技術,結合觸摸屏、電動刀架和伺服電機,將傳統(tǒng)的手動端面倒角機床改造成自動控制機床。操作者只需要選擇工件,系統(tǒng)即可自動調取相關參數(shù)控制系統(tǒng)自動運行。該機床的改造提高了機床加工的質量穩(wěn)定性,降低了加工的人力成本,也提高了生產效率。

        [1]羅敏.FANUC 數(shù)控系統(tǒng)PMC 編程技術[M].北京:化學工業(yè)出版社,2013:182-188.

        [2]李金城.三菱FX2NPLC功能指令應用詳解[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

        [3]??赡?可編程序控制器原理、應用及通信基礎[M].北京∶機械工業(yè)出版社,1997.

        [4]高樹禮.車端面倒角全自動車床[J].機床,1974(3):39-42.

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