基于PLC技術的螺栓自動化加工設備控制系統設計

馬海波

（江蘇省南通中等專業學校，江蘇南通，226011）

0 引言

目前我國機械加工全自動化控制技術方面的研發與應用仍不成熟，特別是一些中小企業中，大多數仍然采用傳統電氣控制機械加工模式。鑒于這一情況，有必要應用PLC技術、傳感器技術以及電氣控制技術，設計一款自動化控制系統構建成本較低、操作難度較低、易于推廣的PLC機械加工自動化控制系統。

1 鉆床控制系統主要構成

1.1 電氣控制

在鉆床所有機械裝置中，電氣控制流程的實現需要有序合理安裝檢測部分、控制部分以及執行部分，圖1為電氣控制的基本流程。

圖1 電氣控制工作流程

按照電氣控制系統的工作流程，針對機械構造中電氣的元件安裝的位置進行設計。具體步驟如下：首先，將一個搜板設備安裝在連接于氣缸的傳動槽和振動料斗的出料口位置，該搜板通過電磁鐵進行控制；然后，將檢測傳感設備安裝在氣缸的復位位置，利用所檢測信號對氣缸的推塊進行驅動，推動推塊進行上下運動，氣缸在換向閥門的作用下完成上下轉向；在不同的位置設置SQ開關，來控制氣缸推塊運行的工進和速度；其次，為了對電機轉動的方向、對夾具氣缸進行定位的夾子松緊程度以及鉆床加工等工作進行控制，將不同傳感設備及開關設置在輸送軌道的不同位置。在鉆床位置加工通化螺栓，將加緊設備以及夾具氣缸設置在該位置。

1.2 信息采集

在對鉆床進行自動控制時，檢測傳感設備、電機轉動方向以及自動控制PLC等需要傳輸轉換各種信號，對執行構件動作進行控制，實現電氣控制的til模擬信號。現場檢測構件、主令開關、傳感設備、限位開關、按鍵的關啟等輸入信號的采集，利用電磁閥、驅動繼電設備、指示燈等構件所傳輸的信號，對執行元件進行驅動。A/D轉換中，每經過一個△t的時間間隔，進行一次模擬量瞬時值的采集，在電路中將所多采集的瞬時值在△t間隔內予以保持，并數值化信號，進行設定數位電平信號轉換。

1.3 控制執行設備的方法

（1）執行設備的電動控制

在自動控制鉆床中，其執行設備包括電磁驅動和執行設備兩部分。其中，電磁驅動設備，振動盤的控制原理是在支撐彈簧振動以及電磁鐵的吸力作用下，螺栓構件沿螺栓槽由頂盤的底部向上運行；將一塊擋板設置在氣缸滑動軌道和振動料斗的出料位置，該擋板由電磁鐵進行控制，各個螺栓升降下滑程序由擋板控制；將電磁鐵的離合設備安裝在電機的主軸上，利用電磁鐵的驅動設備確定電機停止的位置。另外還有電機執行設備。將電機安裝于滾珠絲枉最右端，在電機作用下左右移動軌道滑塊，并確定停止位置。鉆床的內部也設有電機執行設備。

（2）執行設備的氣壓控制

該系統中，通過氣壓進行動作控制的兩處，一個是絲杠軌道和振動盤滑道相互連接的位置，氣缸執行設備安裝在該處，利用電磁閥門對推塊進行驅動。一個是鉆床加工的位置，當攜帶螺栓運行的滑塊運行到該位置時，電機轉動自動停止，在氣缸夾具設備定位夾緊的作用下，降低電磁控制閥門，夾緊螺栓，由鉆床對螺桿進行打孔。

2 電氣控制設計步驟

2.1 自動控制檢測傳感器的選型

螺栓加工鉆床自動化控制系統主要依賴于傳感器檢測信號，因此傳感器的選型直接關系到自動化控制系統的實效性。

鉆床加工過程中螺栓需要移動，因此在邊緣位置的傳感器需要選用非接觸式監測功能的傳感器，而常見的非接觸式傳感器有電渦流傳感器、磁電傳感器、超聲波傳感器、光電傳感器等。其中光電傳感器具有相應快、監測結果精確、監測范圍大等優勢，因此建議選擇采用光電傳感器用來檢測螺栓工件是否被正常定位，由于螺栓工件屬于冷金屬加工，建議采用透光型的光電斷路傳感器最為合適。

透光型光電傳感器主要監測裝置為光敏元件，考慮到螺栓工件邊緣遮光變化的特點，此采用光敏二極管、晶體管等光敏元件均不合適，因此建議采用光電池來測量螺栓工件的遮光變化，監測結果更加精準。另外需要設置一個穩定光源，建議采用紅色發光二極管作為光源。

2.2 行程開關

螺栓鉆床加工系統設計時會有大量的行程開關，這些開關用于控制啟動執行機構以及制動裝置，同樣自動化控制系統的最終的執行部分同樣需要依賴于行程開關來實現對鉆床設備的控制。因此處于自動化控制系統魯棒性的考慮，建議選擇霍爾接近開關，該系列型號進程開關具備性能好、靈敏度高、使用壽命長等特點。

2.3 氣壓控制元件選型

氣壓控制元件包括氣缸控制閥以及其他氣動控制元件：氣缸控制閥主要用于控制氣缸推桿在任意位置啟動或停止，一次你本文建議采用三位控制閥，考慮到需要檢測氣缸活塞運動行程，在往復運動中為了保證檢測結果的精確度，建議選用三位五通中封電控先導式電磁換向閥。另外配合氣缸控制閥實現對氣缸的平穩控制，同樣需要空氣過濾器、減壓閥等配套元器件，這些配套元器件同樣需要安裝對應的控制元件，為了保證氣缸推桿運動速度自動化調節功能的實現，建議對這些配套的氣動控制元件采用單向節流閥控制。

2.4 PLC軟件的選型

對于臺式鉆床機械加工工程的自動化控制軟件通常采用PLC作為主控程序，而PLC軟件可以細分為系統軟件與應用軟件。系統軟件主要指用戶在使用可編程編程器前，就裝入機內的一部分基礎程序軟件。應用軟件就是為自動控制人員提供編程控制的人機交互軟件程序。目前機械加工自動化控制的PLC編程語言與編程器種類眾多，根據臺式鉆床工藝特點以及本人的工作經驗，最后建議U型安永三菱公司的FX系列PLC應用軟件，其中FX2N型號的PLC的沒一個單元都可以通過I/O擴展單元為256I/O，能夠滿足鉆床較為復雜的自動化控制任務要求。具體FX2N型號PLC的基本單元如表1所示：

表1 FX2N系列PLC的基本單元

3 電氣控制系統總體工作流程

3.1 電氣控制原理

該鉆床自動控制原理：在振動盤中放入螺栓，通過電磁振動，螺栓自動排列成對，通過振動料斗的出料口落入氣缸堆塊。這時候螺栓將光電斷路設備切斷，并升高光電斷路設備前面由電磁控制的擋板，將由振動料斗的出料口處輸送螺栓的出路阻斷，通過控制閥作用升高氣缸。利用高壓氣體推動氣缸活塞，把螺栓輸送到軌道的滑塊位置，對右側的行程開關進行按壓。這時候，一定時間內氣曲保持不動。啟動斤程開關，連接于絲杠的電機出現正方向轉動，在其帶動下，絲枉軌道中螺栓快速向右邊移動；絲杠軌道中螺栓經過行程開關，電機正方向轉動的能耗降低速度，產生制動，軌道滑塊和螺栓利用鉆床的加工平臺上的傳感設備檢測對電機主軸抱闡設備的動作快速停止進行控制。此時，該位置夾具氣缸啟動，氣缸在電磁閥門的控制下，降低工作臺定位夾緊設備，定位螺栓加緊，打孔時間延長。將夾緊裝置下降，按壓限位開關，開啟鉆床，在螺桿上打孔，完成鉆床打孔，利用氣缸的高壓氣體將夾緊設備推動升高，螺栓松開。再次啟動電機正方向轉動，在其作用下螺栓等設備向右側發生位移。移動過程中螺栓在出料口位置下落，按壓限位開關，電機轉動停止然后反方向轉動，向左移動延時一定時間后停止轉動。這時候，下落光電斷路設備前面的擋板。通過這樣的循環運動，有序加工元件。

3.2 PLC編程概述

鉆床控制的組成部分包括電磁拉制設備、檢測開關、電磁閥門控制設備、絲枉傳動設備、H相異步電機、放松夾緊設備、加工設備等。其具體控制要求為：

第一，在振動盎設備的SB1按鍵按下以后，在電磁振動的作用下，振動盤內大量的螺栓自動按照一定的順序進行排列，通過給料槽落到A推桿的定位平臺中，1＃傳感設備檢測出光源斷開，此時一個信號生成，通過電磁閥作用，該處A氣缸推桿開始升高，同時升高前面的電磁擋板。鉆床的控制有光電檢測開關、電磁鐵拉制裝置、氣缸一電磁閥控制裝置、H相異步電動機及絲枉傳動裝置、氣缸定位加緊放松裝置、鉆床加工裝置等組成。

第二，A氣缸推桿設備升高時，推桿快速升高，SQ2開關變成推桿工進上高，SQ3上限行程的開關被壓動，停止推桿上升，同時延時開始，通電2s復位。這時候，螺栓被推桿推到了A氣缸的正上方的a設備中，絲杠同a設備相連，右端異步電機同絲杠相連。

第三，壓動上限行程開關SQ3后，啟動右端的H相異步電動機正轉，定型裝置a在絲杠上由電動機帶動螺栓在傳送槽內右移；右移過程中壓動行程開關SQ4，此時電動機能耗制動，接直流電源，正轉減速至零，經過2＃傳感器（光電檢測開關）時，檢測到一個信號給電磁離合器，通過電動機主軸上的電磁離合器自動抱間裝置使電動機立刻停止，定型裝置a恰好停在鉆床加工平臺上。

第四，加工平臺處2＃傳感器（光電檢測開關）檢測到光源彼阻斷，此處汽缸B的推桿開始快進下降；汽缸B推巧裝置在下降過程中，開始推桿快進下降，壓動中間行程開關SQ6改為推桿工進下降，最后下降中壓動下限巧程開關SQ7，推桿下降停止并延時5分鐘（注；螺栓己被氣動裝置定位夾緊）。

第五，延時5分鐘中鉆床接通信號，開始給螺栓桿部鉆孔，鉆頭復位；延時結束后，氣缸：夾緊裝置自動松開上升。

第六此后冉次自動啟動右端H相異步電動機正轉，帶動定型裝置a右移，右移中當壓動斤程開關SQ8時，電動機制動減速停止，同時傳送槽中的螺栓通過漏槽落入螺栓放置箱內。

第七電動機在停止過程中又皮動行程開關SQ9，電動機瞬時轉換成反轉，帶動定型裝置a左移，延好幾分鐘，停至氣缸A上方；停止同時電磁鐵控制擋板下降，另一螺栓開始重復上一個螺栓的動作。

4 結論

本文根據螺栓加工的鉆床自動化控制加工工藝的技術要求，在已有機械設備電氣控制系統的基礎上，從節省人力資源成本以及高效加工的優化視角出發，從傳感器裝置的選型安裝到PLC主控程序的選型與編程方面提出了PLC自動化控制技術與傳統機床電氣控制系統融合的鉆床自動化控制系統設計思路，希望對中小企業臺式鉆床產線自動化技術改造有所幫助。