基于PLC的水箱镗孔专机控制系统设计.pdf

电气自动化 2 0 1 4年第 3 6卷 第 5期 自 动控制 系统与装置 Au t o ma t i c Co n t roI S y s t e ms＆ E q u ip me n 基于 P L C的水箱镗 孔专机控 制 系统设计 王鑫润。 龚时华 华 中科技大学 机械科学与 工程 学院 ， 湖北 武 汉4 3 0 0 7 4 摘要设计了基于P L C的水箱镗孔专机生产线控制系统， 主要介绍了系统的硬件组成、 软件实现， 特别是可变工艺路径、 大范围调速 运动、 恒线速度恒走刀量镗削孔端面、 系统暂停功能的实现， 极大地保证了系统的快速性、 准确性、 稳定性和灵活性， 很好地满 足了工艺精度要求及生产节拍要求。 关键词水箱镗孔专机； 生产线； 控制系统； P L C； 工艺路径 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j i s s n ． 1 0 0 0- 3 8 8 6 ． 2 0 1 4 ． 0 5 ． 0 2 7 [ 中图分类号]T P 2 7 3 [ 文献标志码]A [ 文章编号]1 0 0 0 3 8 8 6 2 0 1 4 0 5 0 0 7 4 0 3 De s ig n o f a Co n t r o l S y s t e m f o r PL C- b a s e d Sp e c i a l Bo r i n g Ma c h i n e f o r W a t e r Ta n k s W ANG Xi n D 3 n．GONG S h i - h u a S c h o o l o f Me c h a n i c a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g， H u a z h o n g U n i v e r s i t y of S c ie n c e a n d T e c h n o l o g y ，Wu h a n H u b e i 4 3 0 0 7 4 ，C h i n a Ab s t r a c t A c o n t r o l s y s t e m o f t h e p r o d u c t i o n l i n e o f P L C - b a s e d wa t e r t a n k s p e c i a l b o ri n g ma c h i n e i s d e s i g n e d ．T h i s p a p e r p r e s e n t s i t s h a r d w a r e c o mp o s i t i o n a n d s o f t wa r e i mp l e me n t a t i o n， a n d i n p a r t i c u l a r t h e i mp l e me n t a t i o n o f a v a r i a b l e p r o c e s s p a t h， w i d e r a n g e s p e e d r e g u l a t i o n，e n d f a c e b o ri n g wi t h c o n s t a n t l i n e a r v e l o c i t y a n d c o n s t a n t f e e d，a n d s u s p e n s i o n f u n c t i o n ，w h i c h g u a r a n t e e s t h e r a p i d i t y。 a c c u r a c y，s t a b i l i t y a n d fl e x i b i l i t y o f t h e c o n t r o l s y s t e m s a t i s f i e s t h e r e q u i r e me n t o f p r o c e s s p r e c i s i o n a n d p r o d u c t i o n t a c t ． Ke ywo r ds s pe c i a l bo rin g ma c h i n e f o r wa t e r t a nk s；p r o d uc t i o n l i ne；c o nt r o l s y s t e m ；PL C；pr o c e s s p a t h O 引 言 对有多个不同孔的成批箱体类零件进行精密镗削， 为满足加 工工艺及生产节拍要求， 保证其加工精度及生产进度， 设计性能 良好 、 稳定可靠的控制系统十分关键。 针对为国内某大型企业设计水箱镗孔专机的控制系统， 考虑 到其多工位多工步 、 定位精度及系统稳定性可靠性要求高等特 点， 结合可编程逻辑控制器 P L C可靠性高、 操作方便、 编程简单、 维修容易 ， 触摸屏图形界面丰富、 人机交互控制容易以及与其配 合使用的定位模块定位精度高、 响应速度快 、 运动功能丰富等特 点 ， 设计了基于 P L C的控制系统， 通过对其软件、 硬件、 通讯 以及特定功能的良好设计与实现来达到指定的工业生产要求。 1 系统 工艺要求 本水箱镗孔专机主要加工3种类型的水箱 G水箱、 E水箱和 C水箱， 以 G水箱为例， 其截面示意图如图 1所示， 加工 内容包 括 ①粗镗 8 2 、 6 0 、 粗镗半精镗 q 1 6 0的孔， 孔外侧倒角②镗 2 4 。 锥面， 箱体内侧倒角③半精镗 8 2 、 q 2 6 0孔 ， 倒 R 0 ． 5圆角 ， 镗 5 2端面④精镗 8 2、 q o 2 6 0、 q 1 6 0孔。月产能 2 0 0 0台， 生产节 拍为 l 2分钟／ 件。 2 控 制系统 组成及硬件 配置 考虑到加工内容繁多， 生产节拍要求较快， 该专机分为粗、 精 加工两条生产线， 并行工作以提高生产效率。根据机床工艺加工 定稿 13期 2 0 1 31 02 9 基金 项 目 高 档 数 控 机 床 与 基 础 制 造 装 备 国 家 科 技 重 大 专 项 2 0 1 3 Z X 0 4 0 1 3一 叭1 ； 数控一代机械产品创新 应用示范工程 一期 国家科技 支撑计划 2 0 1 2 B A F 1 3 B 0 0 7 4 E l e c t r ic a I A u t o ma t io n l ‘ U． b ／一 l 】 J ‘ J l J l 1 I 0 盆 E ％ 1 e 0 ∞ 1 『 1 1 『 一 ● _ 3 0 图 1 G水箱截面示意图 单位 mi l l 要求及测量补偿要求， 设计如图 2所示控制系统， 该控制系统由 粗、 精加工控制部分 ， 上位机 P C及测量系统组成。 2 ． 1 粗加工控制部分 粗加工生产线由工件滑台和4个动力头滑台构成 工件滑台 负责机床液压、 润滑启停 ， 工件、 滑台夹紧放松以及滑台各种模式 的运动， 考虑到它要通过 MP I 网络管理控制各分动力头滑台以及 通过 P R O F I B U SD P网络 与 上位 机 P C通讯 ， 控 制部 件 选用 C P U 3 1 3 C一 2 D P ， 触摸屏、 定位模块选用与其对应使用的 T P I 7 7 B 和 F M3 5 3 ； 动力头滑台负责滑台及刀具各种模式的运动以及通过 变频器控制主轴电机运转 ， 选用 C P U 2 2 6作为其控制部件， 触摸 屏 、 定位模块选用 S m a r t L i n e 7 0 0 i e和 E M 2 5 3 。 2 ． 2 精加工控制部分 精加工生产线由工件滑台， 4个动力头滑台和 2个测量头滑 自动控制系统与装置 里 竺 竺 竺 Au toma t ic Co n t r o I S y s t e ms＆ E q u ip me n t s l ／ 、 l ● ／ ＼ ．， J ＼ 指令遵 度 ll卜 聃麓 ● ● a 不使用带阻滤波器 ／ ＼ ／ ＼ ／ ＼ 九 }l l I | 1ffl『 I 指 令 遗 受 毽 曩 售 麓 ． t／ ms b 使用带阻滤波器 图 l 3 带 阻滤波器对 电机抑振和定位影响 5 结束语 针对旋转摆臂高加速度， 高频往复的特点， 为提高摆臂的定 位精度。提出了多种振动抑制方案。首先通过 S型加减速的柔 性设计 ， 降低了由高加速度带来的振动。其次论证了系统的惯量 比和联结刚度对机械谐振频率的影响， 从 而指导摆臂 的结构设 计。最后为抑制可能出现的振动， 提出了三种滤波方法 陷波滤 波器抑制机械谐振 ， 低通滤波器提高系统稳定性， 带阻滤波器抑 制中低频振动。实验结果表明， 此方案能够极大的抑制旋转摆臂 的振动， 从而实现了摆臂高精快速定位 ， 最终试验成果成功应用 于 L E D分选设备中。 参考文献 [ 1 ]He T ． A p p l i c a t i o n s o f i n t e l l i g e n t c o n t r o l i n i mp r o v i n g d y n a m i c s o f 上接第 7 6页 图 5圆弧拟合情况 图 4 ． 5 恒线速度恒走刀量镗削孔端面 在 J 2一B 1处， 系统要求以恒线速度恒走刀量镗削孔端面， 镗 削线速度 ． m ／ mi n 、 主轴转速 n r ／ m i n 、 走刀量 S mm ／ r 、 镗 削直径 d m m 、 刀具 进给速度 v m m ／ s 之 间的关 系如下公式 n 1 0 0 0V 1 ／ 竹 d 1 V 25 0 X 1 s ／ 3 d 2 要使 ， s 不变， 镗削过程中d在连续增大， 则 n和 必须连 续减小 ， 主轴转速 n的连续变化可通过改变与 E M2 3 2有关的 A Q W0值来实现； 由于 E M 2 5 3没有进给修调功能， V 的连续变化 是通过 P O S x M A N指令来实现的， 虽然该指令不能指定运动位 移， 但可通过 P O S x C T R L反馈的位移以及 E M 2 5 3的 S T O P硬件 位来使电机立即停止， 由于刀具工进速度与启动／ 停止速度比较 接近， 电机的立即停止不会影响定位精度和加工精度 ， 通过上述 方法 即可达到恒线速度恒走 刀量 镗削孔端面 的 目的。 p r e c i s i o n mo t i o n s y s t e m s u s e d i n mi c r o e l e c t r o n i c s m a n u f a c t u ri n g[ R] ． Proc e e d i n g o f t h e 2 0 0 2 2 7 t h I EEE ／ S EMI I n t e r n a t i o n a l E l e c t r o n i c s Ma n u f a c t u r i n g Te c h n o l o g y S y mp o s i u m，S a n J o s e ， C A，Un i t e d S t a t e s ， 2 0 0 2 41 0 41 4． [ 2]黄艳 ， 李家 ， 于东 ， 等．C N C系统 s型 曲线 加减速算法 的设计 与实现 [ J ] ． 制造技术与机床 ， 2 0 0 5 ， 5 5 3 5 55 8 ． [ 3 ]G e o r g e E l l i s ，G a o Z h i q i a n g ． C u r e s f o r L o w F r e q u e n c y Me c h a n i c al R e s o n a n c e i n I n d u s t ri al S e r v o S y s t e m[ R] ．I E E E I A S A n n u al M e e t i n g ． 2 0 01 ，1 2 5 22 5 7． [ 4 ]寇抱拳， 程树康． 交流伺服电机及其控制[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 2 0 0 8 ． [ 5 ]陈鹏展． 交流伺服系统控制参数自整定策略研究[ D ] ．武汉 华中科 技大学 ， 2 0 1 0 ． 【 作者简介】胡雄雄 1 9 8 8 一 ， 男， 湖北赤壁人， 硕士研究生。研究方向 自动化控制 。 5 结束语 该水箱镗孔专机控制系统合理的硬件配置、 良好的软件编程 以及特定功能的顺利实现 ， 极大地保证 了系统加工对象的灵活 性 、 生产节拍的快速性、 长期运行的安全可靠性。 实际实践证明， 该控制系统具有响应速度快 、 运行稳定可靠、 控制精度高， 维护简单容易等特点， 加工出来的产品各项指标均 达到指定要求， 已成功投入国内某大型企业的正常工业生产中。 参考文献 [ 1 ]廖 常 初 ． s 73 0 0 ／ 4 0 0 P L C应 用 技 术 [ M] ． 北 京 机 械 工 业 出 版 社 ， 2 0 0 5 ． [ 2 ]陆源， 葛锁良， 廖常初， 等． 西门子人机界面 触摸屏 组态与应用技 术 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 3 ]徐宁， 陆源， 葛锁 良， 等． 基于 P R O F I B U S D P和 M P I 的 P L C腈纶生 产控制系统 [ J ] ． 工程设 计学报 ， 2 0 0 7 ， 1 4 3 2 3 5 2 3 8 ． [ 4 ]邓建春 ， 李鸽鹏 ， 赵 丹， 等． 基于 P L C控制 的 自动 补偿精 镗装置 [ J ] ． 制造业 自动化 ， 2 0 0 6， 2 8 9 5 5 5 7 ． [ 5 ]崔坚 ． 西 门子工业 网络通信指南 [ M] ． 北 京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 6 ]张健俊， 任德均． 基于 P R O F I B U S 现场总线的张力控制系统设计[ J ] ． 仪表技术与传感器， 2 0 1 1 ， 4 8 2 5 7 5 9 ． [ 7]刘 志 ， 龙 志强 ． 基于 O P C的工业 P c与 s 73 0 0通信 的 VC实现 [ J ] ． 工业控制计算机 ， 2 0 0 8 ， 2 1 5 3 7 3 8 ． 【 作者简介】王鑫润 1 9 8 9一 ， 男， 湖北鄂州人 ， 研 究生， 研 究方向 数控技 术 ， 电机控制 ， 专用设备研究。 【 通讯作者】龚时华 1 9 6 8 一 ， 男， 湖北天门人， 教授、 博士生导师， 研究方 向 数控技术 ， 电机控制 ， 专用设备研 究。 E le c t r ic a I A u t o ma t io n 8 1 爱蕾瞻囊 鬟嘲