基于PLC的擠出機進料段內螺紋加工控制系統研究

李 廣，楊鐵牛，常明清，汪孝軍

(五邑大學機電工程學院，廣東江門529020)

0 引言

近年來，隨著塑料、紡織、石油和食品工業的飛速發展，擠出機的使用也越來越廣泛。進料段作為擠出機的重要組成零件，如何提高其加工質量、加工效率以及如何降低成本，越來越受到重視。由于擠出機在各工業中應用目的和作用不同，進料段內螺紋線型也多種多樣，這給其加工帶來了很大困難。進料段內螺紋螺距比較大的原因，很多普通車床無法加工，傳統對擠出機進料段內螺紋加工采用的是成形法并在機械式機床或三軸數控機床上加工［1］，一般情況下加工一個需要8 h 以上，加工速度滿足不了實際需求。為了提高生產效率，需要重新設計銑床結構和控制系統。

機床的結構設計主要是對旋轉主軸和刀架的設計，加工過程中工件隨主軸一起做旋轉運動，拖板帶動銑刀沿工件軸向和徑向的運動實現兩個方向進給［2］，本研究在機床控制系統的研發中，考慮進料段內螺紋加工過程主要以順序控制為主，機床控制系統采用PLC 及其位置單元實現對伺服電機運動控制，通過建立各軸之間關系，實現各軸電機運動配合。

1 數控系統硬件

根據進料段內螺紋加工生產實際情況，其加工步驟主要為:原點檢測→自動對刀→加工第一條螺紋→歸原點→C 軸轉動分度→進刀至加工點→加工下一條螺紋→加工完成退刀。本研究采用PLC 與其位置單元結合的方式實現對伺服系統的順序控制，并利用觸摸屏作為人機交互工具。觸摸屏替代傳統控制按鈕和指示，用來設置參數、顯示數據及監控設備狀態，它簡化了PLC 的控制程序［3-5］。

1.1 數控系統的硬件構成

在數控系統硬件選擇上綜合考慮加工環境、經濟成本等因素，本研究選用了威綸MT8000 觸摸屏，松下FP2 可編程控制器和其位置控制單元PP4L。與此同時，本研究還選用了安川(YASKAWA)∑-ⅡSGMG 伺服電機及其伺服單元。觸摸屏MT8000 通過RS232C和FP2 的編程口連接，位置單元PP4L 搭載在FP2 母版上，伺服驅動器連接在位置控制單元的I/F 連接器上，其接線如圖1所示。

圖1 MT8000、FP2、PP4L 和伺服的連接

1.2 觸摸屏和FP2 及位置控制單元組合

(1)MT8000 觸摸屏界面具有:①USB Host 支持各種USB 接口設備;②USB Client 連接PC，用于項目上傳及下載，包括工程文檔﹑配方數據傳送﹑事件記錄以及備份等;③CF 卡/SD 卡接口也可以用于項目上傳及下載;④以太網口用于連接具有網絡通訊功能只設備，通過網絡作信息交流;⑤串口支持的COM 端口可連接到PLC 或其他設備。系統中采用RS232C 將觸控屏和FP2 的編程口連接，通信時，只要對觸控屏和FP2之間進行通信設置，PLC 并不需要通信程序便可以對來自觸控屏的指令給予回復，實現對其的控制。

(2)FP2 是一款機身緊湊的PLC，很適合組裝到裝置上，具有很高的設計自由度，在母板上可根據系統設計要求選擇搭載數字I/O 單元，位置控制單元RTEX(插補型)可實現對安川(YASKAWA)∑-ⅡSGMG 伺服單元的位置控制。位置控制單元按其輸出方式不同分為:晶體管輸出型和線性驅動器輸出型，線性驅動器輸出型主要對應的是高速控制，晶體管輸出型對應的只能是步進電機等開路集電極驅動器。位置控制單元按其連接器排數可以分為:2 軸和4 軸，一排連接器中分配了2 軸的信號針。在系統中，有主軸回轉軸、軸向拖板運動軸、徑向拖板運動軸，因此位置單元采用四軸線性驅動器輸出型(FP2-PP4L)，其主要結構為:①顯示各軸的動態LED;②動態狀態顯示切換開關;③用戶I/F連接器(1 軸2 軸);④用戶I/F 連接器(3 軸4 軸)，其功能軸的定義為:CH0—C 軸(銑刀的旋轉);CH1—Z 軸(軸向的進給拖板);CH2—X 軸(徑向進給拖板)。

(3)專用工具Configurator PM 可對位置控制單元數據和各種參數進行設定，并執行各種監控。利用Configurator PM 的工具運行模式，僅使用該工具就可以讓電機動作，這對已設定參數電機動作的確認非常方便。

1.3 銑床與工件的關系過程

數控銑床要實現三軸驅動，在實際加工過程中，銑刀除實現自身高速旋轉，還應跟拖板一起沿工件軸向旋轉和徑向運動，工件固定在主軸上實現加工旋轉和分度。當工件跟著主軸旋轉一圈時，拖板沿工件軸向進給一個螺距，沿徑向進給一定深度，通過把主軸轉角與拖板沿工件軸向和徑向的加工距離建立起來就可以實現內螺紋的加工［6-7］，銑床結構如圖2所示。

圖2 銑床結構

2 控制系統軟件

系統軟件設計包括觸摸操作窗口的設計和PLC程序的設計，觸摸屏中通過元件、圖形、文字等信息作為系統輸入/輸出，PLC 程序的主體結構按工藝順序分割成多步，根據梯形圖由上到下依次執行，為了使銑床安全、穩定、高效地運行，控制系統還應滿足如下一些要求:

(1)具有手動/自動功能。當處于手動狀態時，要求可以使電機按要求進行獨立操作，以便于試機調試。當處于自動運行狀態時，電機需嚴格按照工藝時序運行。

(2)具有緊急停車與失壓保護措施。急停按鈕按下，產生報警信號，報警燈開始閃爍，同時機床所有電機均停止。PLC 外部負載的供電線路應具有失壓保護措施，當臨時停電再恢復供電時，不按下“啟動”按鈕PLC 的外部負載就不能自行啟動。

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(3)為確保控制系統安全可靠的運行，程序中應該具有互鎖關系。

(4)在保證控制系統能夠長期安全、穩定、可靠運行的前提下，盡量增強程序可讀性以便于對其進行維護。

2.1 MT8000 觸摸屏設計

EasyBuilder 8000(EB8000)用于觸摸屏MT8000操作界面的設計，主要步驟包括:畫面編輯、編譯、模擬與下載。

該系統操作界面采用了6 個窗口，即:

(1)初始畫面。主要用于顯示系統標題和待對加工工件種類的選擇。

(2)參數輸入窗口。用于待加工工件參數的輸入，如加工條數N、加工長度等。

(3)銑床上電窗口。出于對系統安全考慮，通電是有順序的，先是24 V DC 開關電源通電，其次是控制電源啟動，最后才是伺服主電源，其窗口如圖3所示。

圖3 銑床順序上電窗口

(4)銑床輔助窗口。用于對銑床輔助設備的控制，如冷卻泵開啟與關閉、工作燈的開啟與關閉等。

(5)伺服控制窗口。作為控制系統的主要界面，有對刀過程、銑刀歸零點、自動/手動轉化等操作性按鈕和報警指示、加工剩余條數等顯示性按鈕，其窗口如圖4所示。

圖4 銑床控制窗口

(6)操作說明窗口。用來說明操作步驟和備注一些注意事項。

2.2 控制系統PLC 程序設計

控制流程圖如圖5所示。由圖5 可知，當控制系統開始運行時，完成報警信號、急停按鈕狀態的自檢，自檢結束后進入手動與自動狀態的選擇，手動狀態時可以單獨對各軸進行控制;自動狀態時，系統便順序執行原點檢測、銑刀移到加工位、加工條數的判斷、螺紋的循環加工、剩余加工條數的判斷、退刀操作。

圖5 控制流程圖

進料段由N 條內螺紋組成，每條螺紋具有3 段深度，第1 段由零逐漸變化到H，變化長度S;第2 段為H的等深部分，等深長度(L-2S);第3 段由深度H 逐漸變到零，變化長度S。在程序設計過程中，加工條數N(DT800)、導程Z(DT820)、加工長度L(DT830)、加工深度H(DT840)、漸變長度S(DT850)、C 軸轉速V(DT860)以參數形式作為輸入。編程時采用松下步進轉移指令:SSTP，NSTL，NSTP，CSTP，STPE 等5 條指令和脈沖輸出指令F171(SPDH)，F172(PLSH)［8-9］。脈沖輸出指令按照數據表中參數設置，對各軸進行相對值方式運動控制。

脈沖輸出指令F171(SPDH)主要通過定位表控制，參數設置從上到下為:初始速度、最高速度、目標值移動量、脈沖停止、脈沖輸出指令［10］。在梯形圖中，斷電保持型寄存器用于把各軸目標速度與脈沖量表示出來，計算結果分別放在寄存器DT870(C 軸目標速度)、DT1250(C 軸脈沖量)、DT930(Z 軸目標速度)、DT1220(Z 軸目標速度)、DT1070(X 軸目標速度)、DT1280(X 軸正轉脈沖量)、DT1290(X 軸反轉脈沖量)。進料段的其中一條螺紋自動加工梯形圖如圖6所示，系統I/O 分配如表1所示。

圖6 一條螺紋自動加工梯形圖

銑床C 軸傳動比為900，單位脈沖量為32 768，C軸參數表示如下:

C 軸的目標速度:

表1 系統I/O 分配

C 軸脈沖量:

銑床Z 軸絲桿螺距為12，傳動比為200，單位脈沖量為32 768，Z 軸參數表示如下:

Z 軸的目標速度:

Z 軸脈沖量:

銑床X 軸絲桿螺距為5，傳動比為25，單位脈沖量為32 768，X 軸參數表示如下:

X 軸的目標速度:

X 軸脈沖量:

單條加工時間:

3 結束語

本研究通過采用觸摸屏、PLC和插補型位置單元開發開放式數控系統，實現了對進料段內螺紋加工系統的構建，在完成了軟件部分的設計和硬件部分連接后，經過調試、生產實踐表明，進料段內螺紋加工專用系統與傳統車床相比，加工時間能夠縮短2 h 以上，明顯提高了加工效率;觸摸屏的使用讓控制系統人機對話變得更加和諧，其操作更加方便，同時降低了由于按鈕、開關等硬件故障導致系統問題的概率。

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