0 引言

　　目前市場上對細(xì)長棒料兩端倒角，大多數(shù)都是通過工人手動操作機(jī)床來實(shí)現(xiàn)的，送料、落料和裝夾等方面效率均不高。為此，受某企業(yè)委托，開發(fā)了一臺全自動的高效率高精度的倒角機(jī)。由于PLC具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、使用方便、編程簡單等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。因此，倒角機(jī)采用PLC為控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)送料、裝夾、倒角和落料的自動化和倒角的高效率與高精度。

1 工作原理

　　自動倒角機(jī)由左工作臺、右工作臺和送料機(jī)構(gòu)等組成，如圖1所示。左、右工作臺都由步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲杠副、三相異步電機(jī)、刀架、夾緊氣缸、落料裝置以及三個(gè)接近開關(guān)等組成。刀架安裝在異步電機(jī)的前端，異步電機(jī)直接驅(qū)動刀架旋轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)通過滾珠絲杠副帶動刀架移動，從而實(shí)現(xiàn)倒角。刀具的進(jìn)給速度和位移量由PLC程序中的相關(guān)指令來控制。為了保證倒角時(shí)的切削量，需要確定刀具工進(jìn)時(shí)的起始點(diǎn)。在刀具的前端裝有一個(gè)光電開關(guān)，當(dāng)?shù)毒咭苿拥焦ぜ浇鼤r(shí)，光電開光感應(yīng)到工件，同時(shí)將此感應(yīng)信號傳遞給PLC。這樣避免由于送料和夾緊定位誤差所導(dǎo)致的工件倒角不足或倒角過多的問題。

圖1倒角機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

　　該系統(tǒng)的送料、裝夾和落料均是自動完成的。送料機(jī)構(gòu)采用氣缸驅(qū)動，氣缸送料到達(dá)規(guī)定位置時(shí)，氣缸上的磁性開關(guān)將相應(yīng)信號傳遞給PLC，作為“送料成功”信號。每個(gè)工作循環(huán)傳送一根棒料，工件送到位后兩端分別各有一個(gè)夾緊氣缸驅(qū)動V形塊進(jìn)行夾緊，保證工件不旋轉(zhuǎn)。兩個(gè)夾緊氣缸的側(cè)面分別裝有一塊斜塊作為落料裝置，氣缸松開時(shí)工件沿著斜塊落下，完成自動落料。

　　工作臺上的接近開關(guān)分別為負(fù)極限開關(guān)、原點(diǎn)開關(guān)和正極限開關(guān)，極限開關(guān)用來限制普通電機(jī)的移動位置，以免電機(jī)超出安全位置；原點(diǎn)開關(guān)用來確定系統(tǒng)的坐標(biāo)位置。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　控制系統(tǒng)的硬件主要由PLC、觸摸屏和步進(jìn)電機(jī)、三相異步電機(jī)等組成。由于步進(jìn)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、控制方便、控制性能好等優(yōu)點(diǎn)舊引，能將脈沖信號變換為相應(yīng)的直線位移，其位移量與脈沖數(shù)成正比，移動速度與脈沖頻率成正比。所以，用步進(jìn)電機(jī)帶動刀架移動，不僅能實(shí)現(xiàn)精確定位，還能調(diào)節(jié)刀具移動速度。設(shè)定的進(jìn)給脈沖數(shù)、頻率、方向經(jīng)驅(qū)動控制電路到達(dá)步進(jìn)電機(jī)后，轉(zhuǎn)化為刀架的位移量、前進(jìn)速度和進(jìn)給方向。

　　PLC的輸入點(diǎn)有刀具的原點(diǎn)和正、負(fù)極限位置信號，送料氣缸和夾緊氣缸的到位信號以及光電開關(guān)的輸入中斷等13個(gè)輸入信號；輸出點(diǎn)有步進(jìn)電機(jī)的脈沖和方向控制點(diǎn)，繼電器控制刀具旋轉(zhuǎn)、送料和夾緊動作以及電源和指示燈等13個(gè)輸出信號。從I/O點(diǎn)數(shù)、性能要求、可靠性和成本等角度綜合考慮，最終選用了歐姆龍的CPlH-X40D。系統(tǒng)的控制原理如圖2所示。

　　控制系統(tǒng)以PLC為中心。觸摸屏與PLC進(jìn)行雙向通信。通過觸摸屏可以設(shè)定粗細(xì)不同工件的直徑以及刀具前進(jìn)、后退的速度，同時(shí)刀具移動的位移量在觸摸屏上顯示出來；PLC通過控制驅(qū)動器，使步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的運(yùn)動。當(dāng)電機(jī)在運(yùn)行中出現(xiàn)故障時(shí)，會自動產(chǎn)生急停信號，切斷動力電源，保證設(shè)備的安全，同時(shí)在觸摸屏上跳出一個(gè)窗口，實(shí)時(shí)顯示故障原因；當(dāng)設(shè)備在運(yùn)行中遇到緊急情況需要停止時(shí)，也可用外部的急停按鈕來切斷動力電源。氣缸活塞的運(yùn)動行程可通過外部傳感器來檢測，即氣缸送料或者夾緊到位時(shí)，磁性開關(guān)檢測到信號，PLC根據(jù)獲得的信號來驅(qū)動電機(jī)和氣缸做出相應(yīng)的運(yùn)動。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　通過對整個(gè)工作流程以及PLC指令系統(tǒng)的分析，采用模塊化結(jié)構(gòu)思想，將倒角機(jī)系統(tǒng)分為幾個(gè)模塊：手動操作、自動運(yùn)行、參數(shù)設(shè)置和故障顯示。不同模塊間的切換可由觸摸屏上主界面的窗口來實(shí)現(xiàn)。功能模塊如圖3所示。

　　要對倒角機(jī)進(jìn)行完善保護(hù)，必須考慮模塊間的邏輯互鎖，保證加工過程中無論模塊間如何切換，操作是否失誤，也不會導(dǎo)致工件及設(shè)備的損壞。通過觸摸屏上的選擇按鈕來選擇手動操作或者自動運(yùn)行工作方式。

　　(1)“手動操作”模式供微調(diào)使用，分為左手動和右手動，由按鈕對每一操作進(jìn)行單獨(dú)控制。如通過界面上的“前進(jìn)”或“后退”按鈕微調(diào)左、右刀具的位置，并可隨時(shí)設(shè)定移動時(shí)的快動或慢動速度，同時(shí)將左、右刀具的移動量顯示出來，還可對送料和夾緊氣缸進(jìn)行單獨(dú)操作。

　　(2)“自動運(yùn)行”工作模式供自動工作使用。按下該模式的“啟動”按鈕時(shí)，系統(tǒng)便進(jìn)入連續(xù)循環(huán)工作狀態(tài)，即設(shè)備周而復(fù)始地執(zhí)行動作，直到按下“返回”或者“停止”按鈕退出為止。退出該模式后，刀具和氣缸回到初始化狀態(tài)。自動運(yùn)行模式下的動作順序如表1所示。

　　進(jìn)入“自動運(yùn)行”模式時(shí)，左、右刀具首先運(yùn)行到起點(diǎn)位置，氣缸開始送料，當(dāng)傳感器檢測到送料到位后，左、右氣缸分別夾緊，由PLS2指令來啟動刀具前進(jìn)。刀具前進(jìn)過程中，前方的光電開關(guān)感應(yīng)到工件存在時(shí)立即執(zhí)行輸入中斷，啟動另一段PLS2指令。在此段PLS2指令中，刀具仍保持原來的快速前進(jìn)速度，脈沖數(shù)對應(yīng)刀具快進(jìn)和后續(xù)工進(jìn)的位移量。當(dāng)?shù)毒呶灰七_(dá)到快進(jìn)量S1時(shí)，通過比較指令，PLC開始執(zhí)行ACC指令，刀具改變速度，減速工進(jìn)。在減速

　　工進(jìn)的同時(shí)，送料氣缸退回到初始位置，以準(zhǔn)備下一循環(huán)的送料。按照設(shè)定的工進(jìn)量，工進(jìn)結(jié)束后刀具自動后退一段位移量，同時(shí)夾緊氣缸松開完成自動落料，此時(shí)一個(gè)循環(huán)結(jié)束，后續(xù)循環(huán)繼續(xù)進(jìn)行。工件的粗細(xì)不同和長短不等使工件在送料和裝夾時(shí)產(chǎn)生定位誤差，這些都會導(dǎo)致倒角量不足或者過多。針對此問題，在刀具前方安裝光電開關(guān)來檢測工件的位置，通過程序中的相關(guān)計(jì)算公式得出合理的進(jìn)給量，從而獲得準(zhǔn)確的工進(jìn)量。不同直徑的工件參數(shù)的設(shè)定可通過觸摸屏來實(shí)現(xiàn)，這樣保證了程序的靈活性。光電開關(guān)位置如圖4所示。

　　L為刀具中心與光電開關(guān)之間的長度，可測出；根據(jù)倒角要求，刀具夾角α=60°；工進(jìn)量S2和工件直徑D根據(jù)實(shí)際要求通過觸摸屏外部設(shè)定。刀具從起點(diǎn)位置開始前進(jìn)，當(dāng)移動到位置1時(shí)，光電開關(guān)感應(yīng)到工件，此時(shí)刀具仍快速前進(jìn)S1到位置2，此時(shí)刀具剛碰上工件，刀具減速工進(jìn)；工進(jìn)結(jié)束后，刀具退回到起點(diǎn)位置，退刀距離為S3。從圖4看出：

　　對于粗細(xì)不同的工件，只要改變D的值就可計(jì)算出正確的快進(jìn)量S1。在實(shí)際工作中，存在光電開關(guān)檢測誤差以及快速進(jìn)給到慢速工進(jìn)速度切換過程中的位移誤差，為了避免實(shí)際位移量大于理論值所造成的撞刀現(xiàn)象S1。取得比理論值小2mm。

　　(3)“參數(shù)設(shè)置”功能模塊用來設(shè)定一些參數(shù)，為了防止數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤改動，只有輸入密碼后才能進(jìn)入。該模塊可設(shè)定刀具夾角、工進(jìn)量以及“自動運(yùn)行”模式下的快進(jìn)和工進(jìn)速度。按下“確定”操作后，設(shè)定的參數(shù)才傳給PLC程序的相關(guān)地址中，否則PLC程序無法獲得重新設(shè)定的數(shù)據(jù)，這樣可防止程序地址中數(shù)據(jù)的混亂。

　　(4)在“產(chǎn)品選型”中，操作者輸入相關(guān)型號工件的直徑，以獲得相應(yīng)的工作參數(shù)。同時(shí)，可選擇對工件進(jìn)行“兩端倒角”、“左端倒角”或者“右端倒角”，以適應(yīng)不同的倒角要求。

　　(5)在“故障報(bào)警”中，當(dāng)驅(qū)動刀具移動的三相異步電機(jī)在移動的過程中超過安全位置，碰到正、負(fù)極限開關(guān)時(shí)，報(bào)警器發(fā)出警報(bào)，同時(shí)觸摸屏上跳出窗口顯示報(bào)警信息。

4 結(jié)束語

　　該系統(tǒng)通過PLC程序模塊化設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)倒角機(jī)系統(tǒng)的自動運(yùn)行和手動操作，并借助觸摸屏來設(shè)定相關(guān)參數(shù)和顯示PLC中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)的可操作性。系統(tǒng)中使用接近開關(guān)作為限位開關(guān)，保證了安全可靠性。采用光電開關(guān)來檢測工件的起始位置，補(bǔ)償工件長度誤差和送料定位誤差，根據(jù)反饋的信號控制刀具前進(jìn)的位移量，保證了準(zhǔn)確的倒角量。目前，該自動倒角機(jī)已在相關(guān)企業(yè)正常運(yùn)行。