基于PLC控制的教學(xué)型回轉(zhuǎn)式多工位加工工作臺的設(shè)計

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2013年11月 第41卷第22期 機床與液壓 MACHINE T00L HYDRAULICS NOV 2013 Vo1 4l No 22 DOI 10 3969 j issn 1001 3881 2013 22 009 基于PLC控制的教學(xué)型回轉(zhuǎn)式多工位加工工作臺的設(shè)計 楊輝 侯榮國 矯玉菲 姜鵬鵬 梁麗芬 房曉 山東理工大學(xué)機械工程學(xué)院精密與特種加工省級重點實驗室 山東淄博255049 摘要 設(shè)計一套教學(xué)型回轉(zhuǎn)式多工位加工系統(tǒng) 為機械類本科學(xué)生提供機械傳動類 機械制造工藝類 機械制造裝備 類 PLC控制技術(shù)類 傳感器技術(shù)類等相關(guān)實驗實訓(xùn)項目 以解決目前相關(guān)課程實驗條件不足的難題 它主要由多工位回 轉(zhuǎn)工作臺 工作臺控制裝置 自動夾緊加工機構(gòu) 粗 精銑床工位 鉆床工位等部分組成 可以實現(xiàn)工作臺旋轉(zhuǎn) X Y向工 件進給運動 鉆 銑床z向進給及主軸旋轉(zhuǎn)及工件自動夾緊等功能 其控制系統(tǒng)以工業(yè)用PLC為控制核心 通過PLC編程 控制步進電機動作實現(xiàn)工作臺旋轉(zhuǎn) X Y向和粗 精加工銑床 鉆床z向的運動 同時利用電磁閥控制氣缸對工件的夾緊 動作 以保證加工過程順利進行 由于采用了加工工序集中的方式 回轉(zhuǎn)式多工位工作臺解決了目前加工過程中重復(fù)定 位 裝卸頻繁 勞動強度大等缺點 實現(xiàn)了高精度 高效率 低成本等加工目標(biāo) 關(guān)鍵詞 教學(xué)型 回轉(zhuǎn)式 多工位加工系統(tǒng) 中圖分類號 TP23 文獻標(biāo)識碼 B 文章編號 1001 3881 2013 22 024 3 Design of Education Type Rotation Multi station Working Platform Based on PLC YANG Hui HOU Rongguo JIAO Yufei JIANG Pengpeng LIANG Lifen FANG Xiao Key Lab of Precision Manufacturing and Non traditional Machining School of Mechanical Engineering Shandong University of Technology Zibo Shandong 255049 China Abstract To solve the problem of lack of correlation experiment conditions exiting for a long time an education type rotation multi station working platform was designed to provide experiment and practice pmjects of mechanical transmission machinery manu faeturing technology machinery manufacturing equipment PLC control technology sensor technology and other related projects for me chanieal undergraduate students It was mai y composed of multiple station rotary table table control device automatic clamping mechanism rough milling final milling drilling station The functions of the rotation of the platform feeding in X Y direction drill milling feeding in Z direction rotation of the spindle and the workpiece automatic clamping were realized The industrial PLC was used as the control core of its control system PLC programming Was used to control step motor to drive the rotary table X Y direction and rough milling final milling machine Z direction movement of drilling machine Electromagnetic valve was used to control cylinder to clamp workpiece then the smooth processing Was ensured Due to the adoption of the process focused approach the usage of rotary working table has overeome the disadvantages such as repeated positioning assemble and unassembled frequent big labor intensity The goals of high precision hi gh efficiency low cost are achieved Keywords Education type Rotation type Multi station working platform 近年來隨著機械制造技術(shù) PLC控制技術(shù) 傳感 器技術(shù)等高端技術(shù)在自動化加工領(lǐng)域的快速發(fā)展 以 及新型加工裝置的不斷涌現(xiàn) 越來越多的高校為機械 類本科學(xué)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(shù)類 傳感器技術(shù)類等相 關(guān)實驗實訓(xùn)項目 雖然各高校都有用于教學(xué)的實驗設(shè) 備 但基本上都采取直線式單工位加工 存在重復(fù)定 位 裝卸頻繁 勞動強度大 加工精度低等缺點 學(xué) 生很難得到相關(guān)課程知識的鍛煉 實踐意義不大 為了使學(xué)生的實踐操作能力滿足現(xiàn)代自動化加工 現(xiàn)場的需求 并使他們能夠很快地投入到實際工作 中 必須具有專業(yè)課程實驗知識和高水平的實驗設(shè) 備 因此 作者設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單 成本便宜 而 容易達到經(jīng)濟 精度要求的教學(xué)型回轉(zhuǎn)工作臺 該工 作臺采取多工位圓盤回轉(zhuǎn)式加工 實現(xiàn)了精確的自動 分度 擴大了數(shù)控機床加工范圍 集粗銑 精銑 鉆 加工于一身的加工工作臺 占地小且易管理 光柵 尺 編碼盤控制精確加工 提高了加工精度 各個工 位都具有待用夾具裝置 提高了工作效率 該工作臺 不但結(jié)構(gòu)簡單 而且易于維修 各個部件均可獨立工 作 維修時只需更換出問題的零件 無需費力將工作 臺解體 應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛 實驗過程中 可根據(jù)需 要由學(xué)生自己編程 也可引導(dǎo)學(xué)生通過改變程序來改 變生產(chǎn)過程 實現(xiàn)不同的模擬生產(chǎn) 從而更好地培養(yǎng) 收稿日期 2012一l0 22 作者簡介 楊輝 1990一 男 在讀本科生 專業(yè)方向為機械設(shè)計制造及其自動化 E mail 451203794 qq com 通信 作者 侯榮國 E mail hourongguo212 163 com 第22期 楊輝等 基于PLC控制的教學(xué)型回轉(zhuǎn)式多工位加工工作臺的設(shè)計 25 學(xué)生的創(chuàng)新意識和實踐能力 1 教學(xué)型回轉(zhuǎn)式多工位加工工作臺工作原理 回轉(zhuǎn)式多工位加工工作臺由交流伺服電動機驅(qū) 動 經(jīng)齒輪減速后由蝸輪蝸桿機構(gòu)帶動工作臺旋轉(zhuǎn) 回轉(zhuǎn)工作臺的導(dǎo)軌面由大型滾動軸承支承 必須采用 高精度圓柱齒輪 因此它的進給 分度轉(zhuǎn)位都是由光 柵尺反饋進行控制的 3個工作工位可以實現(xiàn)同時加 工 效率高 沿工作臺圓周方向均勻分布6個自動夾 緊加工機構(gòu)進行夾緊 物料搬運裝置將工件運抵工作 臺后 自動夾緊加工機構(gòu)通過氣壓裝置電磁閥的動作 控制氣缸拉桿伸縮 實現(xiàn)工件的夾緊 工作臺面通過 底部交流伺服電動機和齒輪減速機構(gòu)驅(qū)動旋轉(zhuǎn) 按數(shù) 控指令確定回轉(zhuǎn)方向 回轉(zhuǎn)速度及回轉(zhuǎn)角度大小等參 數(shù) 同時自動夾緊加工機構(gòu)上 y向的步進電機通 過絲杠傳動 實現(xiàn)工件 l 向的定位 使工件運動 到待加工工位 鉆 銑床加工位置 多工位工作臺 有3個待用工位 各工位功能不同 實現(xiàn)粗銑 精 銑 鉆加工一體化 加工工件精確定位后 鉆床 銑 床會對工件分別進行加工 首先由鉆床對工件進行鉆 孔 完成工件的鉆孑L加工 再由銑床對工件進行分層 銑削加工 完成粗銑 精銑 銑槽等加工 加工完成 后由多工位工作臺通過 l 向步進電機聯(lián)動將工件自 動送到預(yù)定的出件工位 待用夾緊機構(gòu)及時就位加工 實現(xiàn)高效加工 工作原理及總體結(jié)構(gòu)如圖I所示 圖I 回轉(zhuǎn)式多工位加工工作臺工作原理圖 2 回轉(zhuǎn)式多工位加工工作臺機械部分的設(shè)計 2 I銑床結(jié)構(gòu)的設(shè)計 銑床由進給交流電機 光柵尺 直線導(dǎo)軌 滾珠 絲杠 切削交流電機 刀具鉆夾頭組成 銑床主要是 對貨箱的表面進行銑削加工 其銑削的深度由光柵尺 進行精確控制 2 2鉆床結(jié)構(gòu)的設(shè)計 鉆床由進給步進電機 直線導(dǎo)軌 滾珠絲杠 切 削交流電機 刀具鉆夾頭組成 鉆床主要是對貨箱中 的孔進行鉆削加工 其鉆削深度由步進電機進行控制 回轉(zhuǎn)式多工位加工工作臺總體結(jié)構(gòu)如圖2所示 鉆 銑床具體結(jié)構(gòu)如圖3所示 1一鉆床加工單元2一銑床粗加工單元卜銑床精加工單元 4一回轉(zhuǎn)工作臺 5 自動夾緊加工機構(gòu) 圖2 回轉(zhuǎn)式多工位加工工作臺總體結(jié)構(gòu)圖 1一進給交流電機2一直線導(dǎo)軌3一滾珠絲杠 4一切削交流電機5一刀具鉆夾頭 圖3鉆 銑單元結(jié)構(gòu)設(shè)計 2 3 多工位工作臺及自動夾緊加工機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 多工位工作臺及自動夾緊加工機構(gòu)由旋轉(zhuǎn)工作 臺 貨箱夾緊機構(gòu) 轉(zhuǎn)盤心軸 馬氏機構(gòu) 交流電機 組成 多工位工作臺及自動夾緊加工機構(gòu)主要是利用 馬氏機構(gòu)的間歇運動實現(xiàn)齒輪箱的裝配 提高效率 其中 自動夾緊加工機構(gòu)由步進電機 絲杠 移動滑 臺 光杠導(dǎo)軌 氣壓缸組成 加工時 采用氣壓缸作 為工作臺的夾緊裝置 步進電機在數(shù)控程序的控制下 實現(xiàn)自動夾緊機構(gòu) 軸 y軸的定位運動 回轉(zhuǎn)式多工位加工工作臺主要參數(shù)如表I所示 表I 回轉(zhuǎn)式多工位加工工作臺主要參數(shù) 工作臺轉(zhuǎn)角 鉆銑床行程 mm 自動夾緊加工機構(gòu)行程 y軸 mm 夾緊裝置行程 mm 360 400 200 25 26 機床與液壓 第41卷 3教學(xué)型回轉(zhuǎn)式多工位加工工作臺的控制部分設(shè)計 3 1 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計 控制系統(tǒng)主要以工業(yè)用PLC為控制核心 通過 PLC編程控制伺服電機 電磁閥和步進電機的動作 以實現(xiàn)工作臺旋轉(zhuǎn) X Y向和粗 精加工銑床 鉆床 z向的運動 氣缸對工件的夾緊等一系列功能 保證 加工過程順利進行 首先操作人員通過人機界面發(fā)出 指令 工作臺PLC控制器接到數(shù)控系統(tǒng)的指令后 松開圓周運動部分的蝸輪夾緊裝置 松開蝸輪 然后 啟動交流伺服電機 按數(shù)控指令確定工作臺的回轉(zhuǎn)方 向 回轉(zhuǎn)速度及回轉(zhuǎn)角度大小等參數(shù) 與此同時 物 料搬運裝置將工件運抵工作臺 自動夾緊機構(gòu)的電磁 閥通電 工件被夾緊 鉆 銑床在數(shù)控指令的控制下 對工件進行鉆孔 銑削加工 加工控制流程如圖4所 示 r 發(fā)出指令 控制器接收數(shù)控指令 工作臺回轉(zhuǎn)運動 到達指定位置 一 鉆床加工 二二 銑床粗加工 一 生 銑床精加工 J 一 步進電機聯(lián)動 t 工件出位 電磁閥 步進電機動作 夾緊工件 I 墮墨 J 圖4加工控制流程圖 3 2教學(xué)型回轉(zhuǎn)式多工位加工工作臺中回轉(zhuǎn)工作 臺及自動夾緊加工機構(gòu)的控制原理 回轉(zhuǎn)工作臺由交流伺服電機 傳動裝置和工作臺 組成 其中傳動裝置由齒輪傳動和蝸桿傳動組成 在 伺服電機和工作臺之間傳遞運動和動力 并可實現(xiàn)分 度運動 當(dāng)回轉(zhuǎn)式多工位加工工作臺接到數(shù)控系統(tǒng)的 指令 首先松開圓周運動部分的蝸輪夾緊裝置 松開 蝸輪 然后啟動交流伺服電機 按數(shù)控指令確定工作 臺的回轉(zhuǎn)方向 回轉(zhuǎn)速度及回轉(zhuǎn)角度大小等參數(shù) 然 后物料搬運裝置將工件運抵工作臺 自動夾緊加工機 構(gòu)對工件進行夾緊 夾緊動作通過氣缸驅(qū)動來實現(xiàn) 采用氣動控制方式 以靜音空氣壓縮機為氣源 利用 PLC控制器控制電磁閥的通斷以實現(xiàn)工件的固定 同 時 自動夾緊加工機構(gòu)上 l 向的步進電機在PLC 的控制下 實現(xiàn)工件 l 軸向的精確定位 完成工 件的最后定位 3 3教學(xué)型回轉(zhuǎn)式多工位加工工作臺中鉆 銑床 的控制原理 工件精確定位后 工作臺上的鉆床 銑床會對工 件分別進行加工 首先由鉆床對工件進行鉆孔 鉆頭 的上下運動通過進給交流電機驅(qū)動絲杠傳動實現(xiàn) 鉆 頭的旋轉(zhuǎn)由切削交流電機驅(qū)動 再由銑床對工件進行 分層銑削加工 進給交流電機驅(qū)動絲杠沿直線導(dǎo)軌運 動實現(xiàn)銑刀的上下運動 光柵尺精確控制銑刀的進給 加工 切削交流電機通過控制銑刀的轉(zhuǎn)向和切削速度 實現(xiàn)工件的銑削加工 加工完成后由多工位工作臺通 過 y向步進電機聯(lián)動將工件自動送到預(yù)定的出件 工位 進入下一個單元 4結(jié)論 教學(xué)型回轉(zhuǎn)式多工位加工工作臺以PLC為控制 核心 采用多工位 圓盤回轉(zhuǎn)式加工 擴大了數(shù)控機 床加工范圍 提高了加工精度 該工作臺不但結(jié)構(gòu)簡 單 而且易于維修 各個部件均可獨立工作 維修時 只需更換出問題的零件 無需費力將工作臺解體 回 轉(zhuǎn)式多工位加工工作臺作為加工中心 復(fù)合機床等裝 備的核心部件之一 對實踐教學(xué)環(huán)節(jié)意義重大 解決 了教學(xué)資源少 學(xué)生實踐操作經(jīng)驗不足等問題 同時 提高了教師的自主探究和深度研發(fā)能力 隨著新技術(shù) 的不斷發(fā)展 應(yīng)用領(lǐng)域必將非常廣泛 參考文獻 1 龔景安 許立忠 機械設(shè)計 M 2版 北京 機械工業(yè)出 版社 1998 2 機床設(shè)計手冊 編寫組 機床設(shè)計手冊 M 北京 機 械工業(yè)出版社 1986 3 機械設(shè)計手冊 編委會 機械設(shè)計手冊 第2 3 5卷 M 北京 機械工業(yè)出版社 2004 4 于金水 基于PLC控制的回轉(zhuǎn)型工業(yè)自動化生產(chǎn)線教 學(xué)設(shè)備 J 蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報 2008 10 3 84 86 5 呂強 UCP710五軸機床中的坐標(biāo)變換 J CAD CAM 與制造業(yè)信息化 2003 4 91 92 98 6 廉元國 張永洪 加工中心設(shè)計與應(yīng)用 M 北京 機械 工業(yè)出版社 1995 7 張曙 Heisel U 并聯(lián)運動機床 M 北京 機械工業(yè)出版 社 2003 8 卞洪元 基于PLC控制的工業(yè)自動化教學(xué)設(shè)備 J 機 械工程師 2005 9 33 34 9 周濟 周艷紅 數(shù)控加工技術(shù) M 北京 國防工業(yè)出版 社 2002 10 ROTH David J Mechanistic Modeling of 5 axis Machine M University of Waterloo 2004 1 1 FITSOS P A Study on a Novel Five Axis Machine Tool Using Direct Drive D University of Califomia 2002