三面組合機床實驗裝置控制系統設計

房 舟 黃崇莉 徐永帥

（陜西理工大學 機械工程學院，漢中 723000）

隨著機械制造技術、PLC控制技術以及傳感器技術等高端技術的發展和應用，越來越多高校為機械類本科學生提供了機械傳動類、機械制造工藝類、機械制造裝備類、PLC控制技術類和傳感器技術類等相關實驗實訓項目教學服務。PLC原理與應用課程是機械設計制造及其自動化專業中的一門實用性很強的專業課程，由于該課程與實際工作聯系緊密，因此強化實踐性教學環節，能給學生提供更好地實驗環境和實驗機會，這也提高學習效果的關鍵。所以，為了保證學生實踐操作能力能夠滿足現代自動化工作需求，必須提提升專業課程實驗知識實用性和實驗裝置水平[1-2]。

針對上述要求，本文設計一套基于PLC控制的組合機床實驗教學平臺。該實驗平臺將機械加工設備和PLC控制有機結合，可實現手動和自動操作兩種模式，使機床運行方式更加多樣化，有效調動學生學習積極性，增加學生學習PLC控制興趣與綜合專業能力[3~9]。

1 三面組合機床實驗裝置簡介

本文所設計的組合機床是一臺實驗裝置，不進行實體工件加工，主要是為了提升學生電氣控制和PLC控制學習興趣。該裝置主要模仿了三面組合機床實驗裝置基本結構，由底座、床身、工作臺、三個機械動力滑臺、電氣柜以及觸摸屏等部件組成，如圖1所示。

圖1 組合機床結構圖

機械的三個動力滑臺由步進電機、滾珠絲杠螺母機構和工作臺組成。通過啟動按鈕，步進電機可帶動絲杠螺母機構按照實驗要求控制三個滑臺進行快進、工進和快退等動作，動力滑臺主軸由三相異步電機驅動。

2 實驗裝置硬件設計

2.1 電氣控制要求

三面組合機床實驗裝置主要由左、右、后三個三相交流異步電動機進行驅動，三個滑臺在三個步進電機控制下完成快進、工進或快退等操作，具體要求如下：第一，三個三相電動機雙向旋轉；第二，實驗裝置具有自動、手動兩種工作方式；第三，滑臺單獨運動控制包括左滑臺單獨運動、右滑臺單獨運動和后滑臺單獨運動；第四，必要的聯鎖及其保護。

2.2 PLC選型和I/0口分配

PLC種類比較多，其中主流的有歐姆龍、三菱、西門子等，根據三面組合機床實驗裝置功能要求，本文所設計的裝備選擇三菱 FX3U系列PLC，不僅可以滿足系統同時控制三個步進電機要求，而且指令簡單易懂、性價比高。本文所選系統總共34個輸入、21個輸出，I/0輸入分配表、輸出分配表，如表1、表2所示；I/0接口圖，如圖2所示。考慮到要同時控制步進電機和交流電機，本次控制系統選用的PLC型號為三菱 FX3U-80MT/DS外加一個輸出擴展模塊FX2N-8EYR。

2.3 人機界面設計

為了實現該實驗設備與操作者之間的聯系，保證監控設備運行高效率，采用操作面板和觸摸屏操作實驗裝置，設計人機交互界面。觸摸屏通過RS-232與PLC進行通信，觸摸屏選用三菱GOT1000系列，學生可以通過GTDesigner3設計人機交互界面為實驗項目選擇界面、電機控制實驗界面和組合機床控制界面，如圖3～圖5所示。操作面板操作實驗設備運動界面如圖6所示。

實驗項目選擇界面主要包括兩項實驗，即電機控制實驗和組合機床控制實驗。電機控制實驗界面包含控制步進電機與三相交流電機旋轉按鈕，其作用是用來選擇控制電機類型，使之正常發揮啟動、停止、正轉、反轉與點動等功能；組合機床實驗控制界面包含自動模式和手動模式兩種形式，其作用是選擇組合機床控制方式；滑臺單獨運行旋轉按鈕的作用是用來選擇滑臺三面同時運動或者單獨運動控制方式；左滑臺單獨運動按鈕、右滑臺單獨運動按鈕以及后滑臺單獨運動按鈕用來控制各個滑臺運動；左滑臺快進/工進/快退指示燈、右滑臺快進/工進/快退指示燈以及后滑臺快進/工進/快退指示燈實現復位、啟動、停止與急停等功能。

表1 I/0輸入分配表

表2 I/O輸出分配表

圖2 I/O分配圖

圖3 驗項目選擇界面

圖4 電機控制實驗界面

3 PLC程序設計

本實驗裝置控制方式有自動和手動兩種控制模式，在程序編寫中采用模塊化對程序進行編寫。

自動工作模式包括左滑臺單獨運動、右滑臺單獨運動、后滑臺單獨運動和三面同時動作四種自動工作程序。手動也可分為單獨單面手動和三面同時點動控制工作。程序選擇與切換均通過選擇開關實現。組合機床PLC控制整體結構如圖7所示。

圖5 組合機床控制界面

圖6 操作面板

圖7 PLC控制的整體結構

程序一共分為9個子模塊，按下每個模塊相應旋鈕或按鈕，程序會進行相應的動作，每個模塊相互獨立，有利于程序編寫和實驗裝置控制。程序自動循環模塊SFC圖如圖8所示。

當自動或手動旋轉按鈕打在自動檔位，左、右、后滑臺單獨運動旋轉按鈕處在關閉狀態時，按下啟動按鈕，左、右后滑臺快進運行指示燈亮，三個滑臺同時快進；當碰到X15，X20，X23限位開關時，三個滑臺工進指示燈亮，同時滑臺在步進指令的控制下開始工進；當工進結束碰到X16，X21，X24限位開關時，三個滑臺快退指示燈亮，同樣滑臺在步進指令的控制下開始快退；當到達原點時，運行指示燈熄滅，一個自動加工循環過程完成，其他動力頭單加工自動循環過程編程其類似。步進指令控制步進電機梯形圖如圖9～圖11所示。

圖8 自動循環模塊SFC圖

圖9 左滑臺工進步進梯形圖

4 實驗設計

根據實驗裝置特點和組成結構，設計兩項實驗項目：

圖10 右滑臺工進步進梯形圖

4.1 電機控制實驗

電機控制實驗主要內容如下：第一，PLC的基本操作練習；第二，三相交流電動機單按鈕啟停、手動正反轉控制以及計時正反轉控制；第三，步進電機單按鈕啟停、正反轉、調速、加減速、位置控制及多段位置控制。

圖11 左滑臺快退梯形圖

4.2 組合機床控制實驗

組合機床控制實驗主要包括四項內容：第一，動力頭單獨往復運動控制；第二，三個動力頭順序控制；第三，三個動力頭工作臺順序延時及同時控制；第四，組合機床鉆孔模擬控制。

5 結語

本文結合工程實踐需求，采用PLC、觸摸屏等可編程控制器技術設計了有一種三面組合機床實驗裝置，該裝置具有三面組合機床實際加工模式，可幫助學生掌握組合機床工作過程、PLC控制以及機電設備運行原理，實驗內容豐富，可以選擇多種形式進行試驗，便于學生形成直觀立體概念，增加學生學習興趣與學習效果。經研究，該程序經調試可應用于組合機床改造項目中。