基于PLC的自動倒角機控制系統的設計

吳仁君

（惠州城市職業學院，廣東惠州516007）

0 引言

自2001年中國加入WTO后，全力發展制造業，目前已然成為了全球制造業大國。目前的發展勢頭，對于我國制造業的發展既是機遇，也是挑戰。近幾年，我國大力發展智能制造、汽車工業、航空工業、船舶工業等諸多關鍵領域。由于技術、設備等方面的不足，例如，六角加長螺母在加工完內螺紋，最后的工序是對螺母的兩端進行倒角，大部分企業都是通過手工操作鉆床來實現的，上料、下料、裝夾等方面的勞動強度大，工作效率低，經常會由于操作不當損壞螺母螺紋，并且加工出來的倒角很難達到高精度的要求，最重要的是目前人力成本提高，企業招工難，沒有人愿意從事這種重復性很高，工作環境差的加工工作［1］。

針對以上種種問題，本文設計了一款全自動的雙面倒角機，對倒角工序流程進行順序控制，來提高生產效率。采用西門子PLC作為控制系統，該系統一次加料后，可自動實現供料、送料、裝夾、雙面倒角和下料的全過程。本文介紹了該自動倒角機的工作原理及工藝流程，介紹了控制系統硬件和軟件設計。最后還分析了整個控制系統的I/O地址分配表、控制系統的流程圖［2］。實踐證明，該自動倒角控制系統提高了生產節拍，減少了人工，降低了生產成本，提高了螺母的倒角質量，產品的多樣性提高，得到了企業的高度認可。

1 工作原理及生產工藝流程

該自動倒角機由供料機構、機械手機構、送料機構、加工機構、下料機構等組成，如圖1所示。供料單元由直振器和一個光電開關組成，實現物料的傳送。機械手安裝在齒輪齒條上，實現物料的抓料、取料、搬運、旋轉。齒輪齒條由步進電機控制，實現對機械手的定位，工作臺上有左右2個行程開關和1個原點開關，左右行程開關用來限制機械手的移動位置，以免超出安全位置，發生撞機；原點開關用來確定系統的坐標位置，定位后從供料機構進行取料。刀具安裝在可調整的電機軸上，刀具的進給速度由PLC程序來控制，刀具的位移量由可調行程氣缸來控制。螺母的夾緊由三軸氣缸來實現，螺母的旋轉由機械手的旋轉氣缸來實現。下料單元有3個料倉，料倉中有3個光電開關傳遞信號，當3個光電開關都感應到物料時，進行下料。觸摸屏是與PLC進行雙向通信，對控制系統進行控制，同時，實時監測控制系統的運行情況，也可對各機構進行手動調試控制［3］。

圖1 總體結構

具體的生產工藝流程包括自動供料、送料、正面倒角、旋轉、反面倒角、搬運、下料7個過程。整個系統是自動加工完成的，只需要編好程序，設定好相關參數。相關的參數包括氣壓、倒角氣缸的高度、旋轉氣缸的、角度電機的轉速、倒角的位移量、傳感器的閥值、步進電機的細分、轉速等。可通過對參數的精確設置，來提高倒角的效率和規格。

2 控制系統硬件設計

2.1 系統組成

控制系統主要由西門子1214 DC/DC/DC PLC、西門子KTP700觸摸屏、亞德客氣缸、雷賽的步進系統、普菲德光軸調速交流電機、歐姆龍的光電開關等組成，系統的控制原理如圖2所示。

圖2 系統的控制原理

供料機構的主要功能是為系統提供加工工件，直振器由調壓振動送料控制器控制，工件直振器的振動和斜面提供動力，促使工件下降，到達取料口，傳感器檢測到工件后，反饋給PLC，再由機械手機構過來夾取工件到加工機構進行加工。

PLC作為控制系統的核心部件，通過Q0.0輸出高速脈沖對步進驅動器進行高精度控制，設置高速脈沖的頻率，通過設置每個位置的軸數據，以絕對位置的方式進行各加工單元的定位。氣缸前后極的磁性接近開關、供料和下料單元的光電開關可向PLC傳遞信號，PLC控制電磁閥換向，來控制提升氣缸、送料氣缸、旋轉氣缸、夾手氣缸、夾緊氣缸、可調行程氣缸的伸縮運動，以此實現對氣動系統的順序控制。

觸摸屏通過PROFINET通信接口與PLC進行雙向通信。通過觸摸屏可以實時切換手動、自動模式，在自動模式中，設有復位、啟動、急停按鈕，在手動模式中，可以控制各機構的的單獨運行，并顯示機械手的當前位移量［4］。

步進電機通過同步齒輪齒條的機械結構來代替傳統的絲桿進行傳動，從而實現多位置的控制。步進驅動器采用絕對位置控制模式，PLC的Q0.0連接步進驅動器的脈沖信號和Q0.1連接步進驅動器的方向信號。通過設定脈沖的頻率、位置的軸數據、方向由PLC輸出給步進驅動器來控制步進電機，最終實現對機械手位移量、運行速度和方向的控制。

2.2 硬件連線

根據本控制系統設計的要求，具有22個輸入點，11個輸出點，控制系統采用西門子1214PLC具有14輸入點，10個輸出點，I/O點數不夠，再擴展一個SM1223信號模塊，具有16輸入點，16個輸出點，其I/O地址分配如圖3所示。

圖3 I/O地址分配表

步進驅動器工作在絕位置控制模式時，PLC的Q0.0連接步進驅動器的脈沖信號和Q0.1連接步進驅動器的方向信號。步進電機是二線四根引線（紅A+、綠A-、黃B+、藍B-）配套步進驅動器。步進驅動系統的連線如圖4所示［5］。

圖4 步進驅動系統連線

2.3 參數設置

PLC與觸摸屏采用PROFINET進行工業以太網通訊，只需把IP地址設置到同一個網關即可實現電腦、PLC、觸摸屏之間的通訊。

步進驅動系統的參數需要根據步進電機的型號來進行設置，本控制系統選用的是電流3 A、步距角1.8°、最大扭矩9 N的雷賽電機57HS09的步進電機，雷賽M542步進驅動器；采用10-3M-1332圓形齒同步帶，傳動效率達0.98，同步帶輪的直徑為19.10 mm。

驅動器的面板上有8個撥碼開關，第1～3位用來選擇電流電機電流為3 A，3位全部設為off，第4位用來半流/全流設定，設為off，第5～8位用來選擇細分模式，設為32細分，設為offonoffon。

步進電機通過同步齒輪齒條帶動整個機械手左、右移動，PLC發出相應的脈沖信號，其計數值與絲杠旋轉的齒數距離存在著對應關系，兩者密切配合實現了機械手的位置精準控制［6］。

電機每轉的脈沖數：按32細分計算，因為步距角1.8°的步進電機，1細分為200個脈沖一圈，所以32細分就是6 400個脈沖一圈。即：

式中：p為電機每轉的脈沖數；n為驅動的細分數；α為電機步距角。

電機每轉的負載位移，采用同步齒輪齒條的機械結構進行傳動，電機每轉一圈，主齒輪也轉一圈，主齒輪的周長即電機每轉的負載位移，再乘以傳動效率。即：

式中：L為電機每轉的負載位移；d為主齒輪的直徑；η為傳動效率。

西門子1200PLC采用高速脈沖定位控制，工藝對象——軸的組態主要的設置如下。設置硬件接口及使能及反饋信號如圖5所示。設置機械參數如圖6所示。設置啟動速度、最高速度及加減速時間，如圖7所示。

圖5 常規參數設置

圖6 機械參數設置

圖7 啟動速度、最高速度及加減速時間設置

3 控制系統軟件設計

3.1 PLC軟件的設計

PLC程序設計采用梯形圖編程，編程軟件采用西門子TIA Protal V14。PLC控制軟件主要包括主程序、按鈕及運行指示燈、步進電機、觸摸屏調試、機械手動作、整體動作等部分。系統上電之后進行初始化程序，在觸摸屏上按start鍵進入自動控制界面，長按復位鍵對設備進行復位，再按下啟動按鈕，可實現對加長螺母倒角的全自動化生產，直到供料單元的工件加工完畢。PLC程序流程如圖8所示［6］。

圖8 系統控制流程

3.2 觸摸屏界面設計

利用TIA Portal V14對人機交互界面進行設計。本系統主要包括2個界面：自動運行界面和手動界面。

自動運行界面為系統主操作界面，設有復位、啟動按鈕和跳轉到手動界面按鈕，實現整個生產流程的全自動化，自動運行界面如圖9所示；手動界面可以對設備各氣缸、交流電機以及步進電機直接進行啟動、停止操作，監視械手當前的位移，還可以對站點的位置選擇進行測試，手動界面如圖10所示［7］。

圖9 自動運行界面

圖10 手動界面

4 結束語

本文設計的自動倒角控制系統通過PLC程序模塊化設計，實現了系統整個生產過程的的自動運行；同時，可以通過觸摸屏進行自動、復位操作，也可以進行手動操作測試。本系統可以根據生產需求隨意更換螺母的尺寸，對不同的工件進行倒角［8］。系統采用行程開關器進行限位，同時配有急停按鈕，保證系統的安全可靠運行。實踐證明，該自動倒角機使用機器代替傳統的人工、操作簡單、運行穩定，降低了的勞動強度，提高產品的精度、適用不同尺寸的螺母，很大程度上提高了生產效率和螺母倒角質量，得到了企業的高度認同。