基于PLC控制的教学型回转式多工位加工工作台的设计.pdf

2 0 1 3年 1 1月 第 4 1 卷 第2 2 期 机床与液压 MACHI NE T00L ＆ HYDRAUL I CS NO V ． 2 0 1 3 Vo 1 ． 4l No ． 2 2 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 2 2 ． 0 0 9 基于 P L C控制的教学型回转式多工位加工工作台的设计 杨辉 ，侯荣国，矫玉菲，姜鹏鹏，梁丽芬 ，房晓 山东理工大学机械工程 学院精密与特种加工省级重点实验室 ，山东淄博 2 5 5 0 4 9 摘要设计一套教学型回转式多工位加工系统，为机械类本科学生提供机械传动类、机械制造工艺类、机械制造装备 类 、P L C控制技术类、传感器技术类等相关实验实训项 目，以解决 目前相关课程实验条件不足的难题。它主要由多工位回 转工作台、工作台控制装置、自动夹紧加工机构、粗／ 精铣床工位、钻床工位等部分组成，可以实现工作台旋转、X ／ Y向工 件进给运动，钻、铣床 z向进给及主轴旋转及工件 自动夹紧等功能；其控制系统以工业用 P L C为控制核心，通过 P L C编程 控制步进电机动作实现工作台旋转、X ／ Y向和粗 、精加工铣床、钻床 z向的运动 ；同时利用电磁阀控制气缸对工件的夹紧 动作 ，以保证加工过程顺利进行。由于采用了加工工序集中的方式 ，回转式多工位工作台解决了目前加工过程中重复定 位、装卸频繁、劳动强度大等缺点，实现了高精度、高效率 、低成本等加工目标。 关键词教学型；回转式；多工位加工系统 中图分类号T P 2 3 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 2 2 0 2 4 3 De s i g n o f Ed uc a t i o n Ty p e Ro t a t i o n M u l t i - s tat i o n W o r k i n g Pl a t f o r m Ba s e d o n PLC YANG Hu i ，HOU Ro n g g u o ，J I AO Yu f e i ，J I AN G P e n g p e n g ，L I ANG L i f e n， ’F AN G Xi a o K e y L a b o f P r e c i s i o n Ma n u f a c t u r i n g a n d N o n t r a d i t i o n a l Ma c h i n i n g ，S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， S h a n d o n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Z i b o S h a n d o n g 2 5 5 049 ，C h i n a Ab s t r a c t T o s o l v e t h e p r o b l e m o f l a c k o f c o r r e l a t i o n e x p e ri me n t c o n d i t i o n s e x i t i n g f o r a l o n g t i me ，a n e d u c a t i o n t y p e r o t a t i o n m u l t i s t a t i o n w o r k i n g p l a t f o r m w a s d e s i g n e d t o p r o v i d e e x p e ri m e n t a n d p r a c t i c e p m j e c t s o f m e c h ani c a l t r ans mi s s i o n ， ma c h i n e r y ma n u f a e t u r i n g t e c h n o l o g y ， m a c h i n e r y m a n u f a c t u ri n g e q u i p me n t ， P L C c o n t r o l t e c h n o l o g y ， s e n s o r t e c h n o l o gy and o t h e r r e l a t e d p r o j e c t s fo r m e c h a n i e a l u n d e r g r a d u a t e s t u d e n t s ． I t w a s ma i y c o mp o s e d o f mu l t i p l e s t a t i o n r o t a r y t a b l e ，t ab l e c o n t r o l d e v i c e ，a u t o ma t i c c l a mp i n g me c h a n i s m，r o u g h mi l l i n g ／ fi n al mi l l i n g，d r i l l i n g s t a t i o n ．T h e f u n c t i o n s o f t h e rot a t i o n o f the p l a t f o rm ，f e e d i n g i n X ／Y d i r e c t i o n，d r i l l ， mi l l i n g f e e d i n g i n Z d i rec t i o n， rot a t i o n o f the s p i n d l e a n d t h e w o r k p i e c e a u t o ma ti c c l am p i n g w e re rea l i z e d ．T h e i n d u s t ri a l P L C w a s u s e d as t h e c o n t r o l c o r e o f i t s c o n t r o l s y s t e m． P L C p r o g r a mmi n g Was u s e d t o c o n t r o l s t e p mo t o r t o d r i v e the rot a r y t ab l e ， X／ Y d i r e c t i o n an d r o u g h mi l l i n g ／ fi n a l mi l l i n g ma c h i n e ，Z d i r e c t i o n mo v e me n t o f d ri l l i n g ma c h i n e ．El e c t r o ma g n e t i c v alv e was u s e d t o c o n t r o l c y l i n d e r t o c l am p wo r k p i e c e ，t h e n t h e s mo o th p r o c e s s i n g W as e n s u r e d ． Du e t o t h e a d o p t i o n o f t h e p roc e s s f o c u s e d a p p r o a c h，the u s a g e o f rot a ry wo r k i n g t ab l e h as o v e reo me t h e d i s a d v an t age s s u c h as rep e a t e d p o s i ti o n i n g，a s s e mb l e an d u n a s s e mb l e d fre q u e n t ，b i g l a b o r i n t e n s i t y ． Th e g o als o f h i g h p r e c i s i o n ，h i g h e ffi c i e n c y，l o w c o s t a r e a c h i e v e d ． Ke y wo r d s E d u c a t i o n t y p e ； Ro t a ti o n t y p e ； Mu l t i s t a t i o n w o r k i n g p l a t f o rm 近年来随着机械制造技术 、P L C控制技术、传感 器技术等高端技术在 自动化加工领域 的快速 发展 ，以 及新型加工装置 的不断涌现 ，越来越 多的高校为机械 类本科学生 提供 了机械传动类 、机械制造工艺类 、机 械制造装备类 、P L C控制技术类 、传感器技术类等相 关实验实训项 目。虽然各高校都有用 于教学 的实验设 备 ，但基本上都采取直线式单工位加工 ，存在重复定 位 、装卸频繁、劳动强度大、加工精度低等缺点 ，学 生很难得到相关课程知识的锻炼 ，实践意义不大。 为了使学生的实践操作能力满足现代 自动化加工 现场的需求 ，并使他们能够很快地投入到实际工作 中，必须具有专业课程实验知识和高水平的实验设 备。因此，作者设计了一种结构简单 ，成本便宜，而 容易达到经济、精度要求的教学型回转工作台。该工 作台采取多工位圆盘回转式加工 ，实现了精确的自动 分度，扩大了数控机床加工范围。集粗铣 、精铣 、钻 加工于一身的加工工作台，占地小且易管理 ；光栅 尺 、编码盘控制精确加工 ，提高 了加工精度 ；各个 工 位都具有待用夹具装置，提高了工作效率。该工作台 不但结构简单，而且易于维修 ，各个部件均可独立工 作 ，维修时只需更换出问题的零件 ，无需费力将工作 台解体 ，应用领域较为广泛。实验过程中，可根据需 要 由学生 自己编程 ，也可引导学生通过改变程序来 改 变生产过程 ，实现不 同的模拟生产 ，从 而更 好地培养 收稿 日期 2 0 1 2一l 02 2 作者简介杨辉 1 9 9 0 一 ，男 ，在读本科生，专业方向为机械设计制造及其 自动化。Em a i l 4 5 1 2 0 3 7 9 4 q q ． c o m。通信 作者 侯荣国 ， Em a i l h o u r o n g g u o 2 1 2 1 6 3 ． c o m。 第 2 2期 杨辉 等 基于 P L C控制的教学型回转式多工位加工工作台的设计 。 2 5 学生的创新意识和实践能力。 1 教学型回转式多工位加工工作台工作原理 回转式多工位加工工作 台由交流伺服电动机驱 动，经齿轮减速后由蜗轮蜗杆机构带动工作台旋转。 回转工作台的导轨面由大型滚动轴承支承 ，必须采用 高精度 圆柱齿轮 ，因此它 的进 给 、分度转位都是 由光 栅尺反馈进行控制的。3个工作工位可以实现同时加 工，效率高；沿工作台圆周方向均匀分布6个 自动夹 紧加工机构进行夹紧，物料搬运装置将工件运抵工作 台后，自动夹紧加工机构通过气压装置电磁阀的动作 控制气缸拉杆伸缩，实现工件的夹紧；工作台面通过 底部交流伺服电动机和齿轮减速机构驱动旋转 ，按数 控指令确定回转方向、回转速度及回转角度大小等参 数，同时 自动夹紧加工机构上 、y向的步进电机通 过丝杠传动，实现工件 、l ， 向的定位，使工件运动 到待加工工位 钻、铣床加工位置 。多工位工作台 有 3个待用工位，各工位功能不 同，实现粗铣、精 铣、钻加工一体化 ；加工工件精确定位后 ，钻床、铣 床会对工件分别进行加工，首先由钻床对工件进行钻 孔 ，完成工件的钻孑 L 加工；再由铣床对工件进行分层 铣削加工，完成粗铣、精铣、铣槽等加工。加工完成 后由多工位工作台通过 、l ， 向步进电机联动将工件自 动送到预定的出件工位，待用夹紧机构及时就位加工， 实现高效加工。工作原理及总体结构如图 I 所示。 图 I 回转式多工位加工工作台工作原理图 2 回转式多工位加工工作 台机械部分的设计 2 ． I 铣 床 结 构的设 计 铣床 由进给交流 电机 、光栅尺 、直线导轨 、滚珠 丝杠、切削交流电机、刀具钻夹头组成，铣床主要是 对货箱 的表面进行铣削加工 ，其铣削 的深度 由光栅尺 进行精确控制 。 2 ． 2钻床 结 构的设 计 钻床由进给步进电机、直线导轨、滚珠丝杠、切 削交流电机、刀具钻夹头组成，钻床主要是对货箱中 的孔进行钻削加工，其钻削深度由步进电机进行控制。 回转式多工位加工 工作 台总体结 构如 图 2所示 ， 钻 、铣床具体结构如图 3 所示。 1 一钻床加工单元 2 一铣床粗加工单元卜 铣床精加工单元 4 一回转工作台 5 _ -自动夹紧加工机构 图 2 回转式多工位加工工作台总体结构图 1 一进给交流电机2 一 直线导轨3 一滚珠丝杠 4 一切 削 交流 电机5 一 刀具钻 夹 头 图 3 钻 、铣单元结构设计 2 ． 3 多工位工作 台及 自动夹紧加工机构的结构设计 多工位工作 台及 自动夹紧加工机构 由旋转工作 台、货箱夹紧机构、转盘心轴、马氏机构、交流电机 组成 。多工位工作 台及 自动夹紧加工机构主要是利用 马氏机构的间歇运动实现齿轮箱的装配，提高效率。 其中，自动夹紧加工机构由步进电机、丝杠、移动滑 台、光杠导轨、气压缸组成。加工时，采用气压缸作 为工作台的夹紧装置，步进电机在数控程序的控制下 实现 自动夹紧机构 轴、y轴的定位运动。 回转式多工位加工工作台主要参数如表 I 所示。 表 I 回转式多工位加工工作台主要参数 工作台转角／ 。 钻铣床行程／ m m 自动夹紧加工机构行程 、 y轴 ／ mm 夹紧装置行程／ m m 36 0 4 0 0 20 0 25 2 6 机床与液压 第 4 1 卷 3 教学型回转式多工位加工工作台的控制部分设计 3 ． 1 控 制 系统 的总体设 计 控制 系统 主要 以工 业用 P L C为控制 核 心 ，通 过 P L C编程控制伺服电机、电磁阀和步进电机的动作， 以实现工作台旋转 、X ／ Y向和粗、精加工铣床、钻床 z向的运动，气缸对工件的夹紧等一系列功能，保证 加 工过程 顺利进行 。首 先操作 人员通过人机界 面发出 指令 ，工作 台 P L C控 制 器接 到 数 控 系 统 的指 令 后 ， 松开圆周运动部 分的蜗轮夹紧装置 ，松 开蜗 轮 ，然后 启动交流伺服 电机 ，按数控指令确定工作台的 回转方 向、回转速度及回转角度大小等参数；与此同时，物 料搬运装置将工件运抵工作台，自动夹紧机构的电磁 阀通电，工件被夹紧，钻 、铣床在数控指令的控制下 对工件进行钻孔 、铣削加工 。加工控制流程如 图4所 示 。 r _ 发 出指 令 控 制器 接 收数 控指 令 工 作 台回转 运 动 到达 指 定位 置 、 ＼ ／ 、 一 钻床 加 工 二二[ 铣 床粗 加工 _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - 。 。 。 ● 。 。 ● ● _ _ _ __ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 生 铣 床精 加 工 J__一 步进 电机 联 动 t 工 件 出位 电磁阀、步进 电机动作 夹紧工件 I 堕 墨 J 图4 加工控制流程图 3 ． 2 教 学型回转式多工位加工工作 台中回转工作 台及 自动 夹紧加工机构的控制原理 回转工作台由交流伺服电机 、传动装置和工作台 组成，其中传动装置由齿轮传动和蜗杆传动组成 ，在 伺服电机和工作台之间传递运动和动力，并可实现分 度运动。当回转式多工位加工工作台接到数控系统的 指令，首先松开圆周运动部分的蜗轮夹紧装置 ，松开 蜗轮 ，然后启动交流伺服电机，按数控指令确定工作 台的回转方向、回转速度及回转角度大小等参数。然 后物料搬运装置将工件运抵工作台，自动夹紧加工机 构对工件进行夹紧，夹紧动作通过气缸驱动来实现， 采用气动控制方式，以静音空气压缩机为气源，利用 P L C控制器控制 电磁 阀的通断以实现工件的 固定 ；同 时 ， 自动夹紧加工机构 上 、l ， 向的步进 电机在 P L C 的控制下 ，实现工件 、l ， 轴 向 的精 确定位 ，完成工 件的最后定位。 3 ． 3 教 学型 回转式 多工位加工工作 台中钻、铣床 的控 制原 理 工件精确定位后，工作台上的钻床、铣床会对工 件分别进行加工，首先由钻床对工件进行钻孔，钻头 的上下运动通过进给交流电机驱动丝杠传动实现 ，钻 头的旋转由切削交流电机驱动 ；再由铣床对工件进行 分层铣 削加 工 ，进 给交 流电机驱 动丝杠 沿直线 导轨运 动实现铣刀 的上下运动 ，光栅尺精确控制铣刀 的进给 加工 ，切削交流 电机通过控制铣刀 的转 向和切削速度 实现工件 的铣削加 工。加 工完成 后由多工位工 作台通 过 、y向步进电机联动将 工件 自动送 到预定 的出件 工位 ，进入下一个单元 。 4结论 教学型回转式多工位加工工作台以 P L C为控制 核心 ，采用 多工位 、圆盘 回转式加工 ，扩大 了数控机 床加工范围 ，提高了加工精度。该 工作 台不但结 构简 单，而且易于维修，各个部件均可独立工作，维修时 只需更换出问题的零件 ，无需费力将工作台解体。回 转式多工位加工工作台作为加工中心、复合机床等装 备的核心部件之一 ，对实践教学环节意义重大 ，解决 了教学资源少 、学生实践操作经验不足等 问题 ，同时 提高了教师的自主探究和深度研发能力。随着新技术 的不断发展 ，应用领域必将 非常广泛。 参考文献 【 1 】 龚景安 ， 许立忠． 机械设计[ M] ． 2 版． 北京 机械工业出 版社 ， 1 9 9 8 ． 【 2 】 机床设计手册 编写组． 机床设计手册[ M] ． 北京 机 械工业出版社 ， 1 9 8 6 ． 【 3 】 机械设计手册 编委会． 机械设计手册 第 2 、 3 、 5卷 [ M] ． 北京 机 械工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． 【 4 】于金水． 基于 P L C控制的回转型工业 自动化生产线教 学设备[ J ] ． 芜湖职业技术学院学报 ， 2 0 0 8 ， 1 0 3 8 4 8 6． ． 【 5 】吕 强． U C P 7 1 0五轴机床 中的坐标变换 [ J ] ． C A D ／ C A M 与制造业信息化 ， 2 0 0 3 4 9 1 9 2， 9 8 ． 【 6 】 廉元国， 张永洪． 加工中心设计与应用[ M] ． 北京 机械 工业出版社 ， 1 9 9 5 ． 【 7 】张曙， H e i s e l U． 并联运动机床[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 2 0 0 3 ． 【 8 】卞洪元． 基于P L C控制的工业 自动化教学设备[ J ] ． 机 械工程师 ， 2 0 0 5 9 3 33 4 ． 【 9 】周济， 周艳红． 数控加工技术[ M] ． 北京 国防工业出版 社 ， 2 0 0 2 ． 【 1 0 】R O T H D a v i d J ． M e c h a n i s t i c M o d e l i n g o f 5 - a x i s M a c h i n e [ M] ． U n i v e r s i t y o f Wa t e r l o o ， 2 0 0 4 ． 【 1 1 】F I T S O S P ． A S t u d y o n a N o v e l F i v e A x i s M a c h i n e T o o l U s i n g D i r e c t D r i v e [ D] ． U n i v e r s i t y o f C a l i f o mi a ， 2 0 0 2 ．