基于LabVIEW磨粒流抛光机床的控制系统设计

苏东楠

（长春理工大学光电信息学院，吉林长春，130012）

基于LabVIEW磨粒流抛光机床的控制系统设计

苏东楠

（长春理工大学光电信息学院，吉林长春，130012）

本文中的磨粒流精密抛光机床的驱动主要是利用液压系统完成的，本文介绍了抛光机床的液压驱动系统的控制的过程，并且以LabVIEW为主站，PLC为从站，完成对机床的控制系统的设计，使机床可以实现“装夹”，“加工”，“归原点”，“急停”等一系列的加工基本动作，通过LabVIEW建立的人机友好交互界面，方便监控加工的过程，加工参数。

磨粒流；抛光机床；液压控制；Lab VIEW

0 引言

通常机床的控制系统大多采用的PLC进行控制。PLC具有可靠性高、操作简单、通讯能力强、拓展能力强等优点。［1-2］但是达不到实时监控运动状态的要求，而且后期参数的监测都打不到可视化的过。LabVIEW是一种图形化的编程语言，简称为G语言，相对于传统的编程语言相，它的优点是用图形语言代替文本代码的编程方式，技术更新快、用户自行定义、与外围设备和网络连接方便、人机对话方便等优点。［3］基于LabVIEW和PLC共同控制，使得精密机床的控制系统控制精度高、操作简单、通讯方便、监控方便。

1 抛光机床的液压系统概述

磨粒流精密抛光机床的驱动是由液压系统完成的，其液压控制示控制系统的流程图和如图1所示：

根据机床的动作要求，其动作顺序是三个浮动液压缸活塞推动上料缸和上盖板匀速向下运动→三个浮动液压缸活塞同步匀速向下运动的同时，其上液压缸活塞推动上料缸和上盖板一起向下同步运动（夹紧工件）→下液压缸进油、回油，上液压缸进油、回油，使磨料在上、下料缸和夹具组成的通道内往复运动，完成对一次循环（循环加工）→上、下液压缸循环进油推动上下料缸上下往复移动直到完成加工，达到要求的加工精度。［4-6］故可得液压系统的原理图如图2所示

根据机床的控制，电磁铁的动作顺表如表1所示。

图2 液压原理图Fig.2 Hydraulic schematics

表1 电磁铁动作顺序表Tab.1 Electromagnet order table

3 控制系统的硬件设计

分析表1可得磨粒流精密抛光机床的运动控制系统主要有数字量输入、输出点各10个、模拟量输入点、输出点各2个，选用S7-200（CPU为226），CPU 226有24个数字量输入、16个数字输出点，可以连接多个扩展模块，最多可以连接7个扩展模块（拥有248路数字量输入/输出或是38路模拟量输入/输出），它的优点是可靠性能高、通讯能力强、扩展模块丰富。由液压原理图可得本篇文章中PLC控制的信号包括：10个数字量输入有限位开关S1～S10，10个数字量输出有电磁铁Y1～Y10，模拟量输入和输出是2个控制上、下液压缸的比例伺服阀的模拟检测信号，PLC数字量和模拟量的输入、输出引脚接线图如图4所示。

4 磨粒流精密抛光机床控制系统的软件设计

磨粒流精密抛光机床控制系统的软件软件开发是由PLC和LabVIEW共同完成的，其主要步骤如下建立PLC和LabVIEW的通信→设定参数→夹紧工件→循环加工→自动检测加工精度达到设定要求→达到加工精度→液压缸退回原位→液压泵卸荷、停止运动

4.1 LabVIEW和PLC的通信

LabVIEW和PLC的通信是靠Modbus来实现，Modbus是Modicon发明的用在工业现场的总线协议。［7-8］本文中实现通信时，LabVIEW是主站，PLC是设计时的从站，为了实现主站和从站之间的通信用在PLC的梯形图中利用网络1把Modbus的从站（plc）的地址设置为1，端口0的波特率设置为9600，无延迟、无校验、允许存储和读取全部的I、Q及AI数值，存储寄存器拥有从VB0开始的2000个字节的存储空间。［9-10］然后用网络2来设定每次扫描都执行Modbus指令，接下来在LabVIEW中新建I/O Server之后，完成Modbus I/O Server的参数配置，配置时需要注意地址的设定要和上一步的地址相匹配，来完成主站和从站的之间的通信，LabVIEW和PLC通信建立完成，这样可以用LabVIEW来控制S7-200来完成机床的运动控制。如图3所示。

图3 Modbus I/O ServerFig.3 Modbus I/O Server

图4 人机交互界面Fig.4 Human-computer interaction interface

主站、从站通信完成后，根据设精密抛光机床的液压控制系统原理图，来设定系统输入、输出变量，即输入参数为电磁铁Y1～Y10，输出参数为行程开关S1～S10，模拟量输入变量I1.0和I1.1，模拟量输出变量Q1.0和Q1.1，完成了基本设置。其人机交互界面的建立如图4所示。

4.2 控制系统的主要程序模块

4.2．1 夹紧工件动作

当所有准备工作完成后，程序处于运行状态，LabVIEW的交互界面十分简单，只是用鼠标操作，人机交互界面中按钮都是虚拟的，用鼠标点击“开机”按钮后，就会有液压油进入3个浮动的液压缸和上液压缸的上腔，推动相应的活塞匀速向下运动。当4个液压缸同时运动到底，加工工件被夹紧，此时，“工件夹紧”的指示亮，工件夹紧的执行过程为：2个电磁铁Y4、Y6同时得电，浮动液压缸活塞和上液压缸中的活塞在液压油的作用下同时下降，当上液压缸活塞运动到底并触动开关S8后，电磁铁Y4、Y6断电，浮动液压缸和上液压缸停止运动。工件被夹紧。在工件夹紧过程中，为了减小浮动液压缸同步运动的累积误差，通过液压系统中的两位两通的电磁换向阀配合限位开关使用来达到减小的目的。

4.2．2 循环加工

当完成工件夹紧动作后，“工件夹紧”的指示灯亮，通过键盘输设定人机交互界面上的 “加工次数”和“加工缸活塞速度”参数，“准备工作完成”指示灯亮，点击“加工”按钮，此时，上下液压缸中的活塞往复移动，推动料缸中的磨料往复通过工件，来完成零件的抛光，此过程为控制过程的核心，循环加工的执行过程为：电磁铁Y7、Y8通电，液压油进入到上液压缸和下液压缸中的上腔，两缸中的活塞同时向上运动，料缸中的磨料在活塞的作用下，由下料缸通过工件进入到上料缸，，抛光一次，两缸中的活塞运动到底，触碰行程开关S7、S9，电磁铁Y7、Y8断电，电磁铁Y6、Y9得电，两缸中的活塞同时匀速向下运动，推动料缸中的磨料向下运动，由下料缸通过工件进入到上料缸，再次对工件抛光，当两个活塞分别触碰触行程开关S8、 S10，电磁铁Y6和Y9断电，电磁铁Y7和Y8得电，上、下液压缸中的活塞再次同时上行，循环往复，多次抛光工件，达到指定的循环次数，循环加工动作停止。活塞的运动速度会对机床加工区的温度存在一定影响，温度升高，通过工件的磨料的温度会发生变化，进而影响抛光精度，故活塞的速度能够调节，从而控制加工区域的温度，不至于变化过大，对加工精度造成影响，其部分程序框图如图5所示。

图5 “加工”部分程序框图Fig.5 "Machine" part of the program block diagram

4.2．3 液压缸退回原位

当完成用户设定的循环加工次数后，循环加工停止，上下液压缸中的活塞将停止运动，“加工完成”的指示灯亮。当防止循环次数达到，但是上、下液压缸仍然可能没有达到缸底，仍在运动中，应当等到“加工完成”的指示灯亮和“液压缸移动中”的指示灯灭，再点击“液压缸回原位”按钮，所有的液压缸和料缸退回原位。其运动过程是：电磁铁Y5、Y7通电，浮动液压缸、上液压缸同时快速上行，回到初始位置。其部分程序框图如图6所示。

所有动作完成后，泵卸荷，卸荷完成后，停止程序。运工件抛光过程会出现很多突发情况，为了应对这些突发情况，特设置 “急停”按钮，程序是也具有记忆功能的，如若就需要继续加工，只需点击人机交互界面中的继续加工按钮，如若想重新加工，需要将所有液压缸回原位，重新点击“加工”按钮。

5 结论

磨粒流抛光机床的驱动系统主要是利用液压系统来完成驱动的，LabVIEW和PLC通信来完成磨粒流抛光机床的控制动作，加工参数可调，操作简单，人机对话便捷，监控界面方便，抛光出来的工件精度更高。

［1］ 刘文生. PLC与触摸屏的综合应用［J］. 辽宁师专学报（自然科学版），2009（01）.

LIU Wengsheng. The comprehensive application of PLC and touch screen［J］. Liaoning teachers college journal （natural science edition），2009（01）.

［2］ 严元，於磊. 基于PLC 的自动售货机 ［J］. 软件，2013，34（6）：27-28.

TAN Yuan，YU Lei. The vending machine based on PLC［J］.Software，2013，34（6）：27-28.

［3］ 吴笛.基于LabVIEW的机械故障远程诊断系统的设计与实现［J］.机械传动，2011，35（1）：26-30.

WU Di. The design and implementation of the mechanical fault remote diagnosis system based on LabVIEW ［J］. Mechanical transmission，2011，35（1）：26-30.

［4］ 刘薇娜，刘有超，杨立峰，等.磨料流抛光机床床身结构研究［J］.新型工业化，2014，4（1）：55-58.

LIU Wei-na，LIU You-chao，YANG Li-feng，et al.The Research of Abrasive Flow Polishing Machine Bed Structure［J］.The Journal of New Industrialization，2014，4（1）：55-58.

［5］ 杨立峰，张镇，刘薇娜.基于MATLAB 的磨粒流机床液压系统的动态仿真［J］.新型工业化，2014，4（10）：58-62.

Yang Lifeng，Zhang Zhen，Liu Weina. The dynamic simulation of the hydraulic system of abrasive flow machine based on MATLAB［J］.The Journal of New Industrialization，2014，4（10）：58-62.

［6］ M.RaviSankar，V.K.Jain n，J.Ramkumar. Rotational abrasive flow finishing （R-AFF） processZand its effects on finished surface topography［J］. International Journal of Machine Tools & Manufacture. International Journal of Machine Tools & Manufacture，2010（50）：637-650 .

［7］ 陈树学，刘萱.LabVIEW宝典［M］.上海：电子工业出版社，2011.

CHEN Shuxue，LIU Xuan. LabVIEW Collection［M］. Shanghai：Electronic Industry Press，2011.

［8］ 廖常初.PLC编程及应用［M］.北京：机械工业出版社，2014.

LIAO Changchu. Programming and Applications［M］. Beijing：Machinery Industry Press，2014.

［9］ Li Yunfei，Chen Chengqin. Research and Implementation of Virtual Instruments Based on Agent Technology［J］. The 2nd International Conference on Autonomous Robots and Agents （ICARA 2004），2004：234-239.

［10］ 陈锡辉，张银鸿.LabVIEW8.20从入门到精通［M］.北京：清华大学出版社，2007.

CHEN Xihui，ZHANG Yinhog. LabVIEW8.20 from entry to the master［M］. Beijing：Tsinghua University Press，2007.

Design of Abrasive Flow Polishing Machine Control System Based on LabVIEW

SU Dong-nan
（College of Optical and Electronical Information Changchun University of Science and Technology， Changchun City Jilin Province，130012）

In this paper， the abrasive flow precision polishing machine tool main drive is done using the hydraulic system，This paper introduces control process of the polishing machine tool hydraulic system. And LabVIEW is main station， the PLC is from the station， to complete design of machine control system. Make machine can realize “clamping”， “processing”， “go home”， “stop” and a series of processing basic movements. The machine can be implemented established friendly man-machine interface by LabVIEW， it is Convenient to monitor machining process， machining parameters.

Abrasive Flow； Polishing Machine； Hydraulic Control； Lab VIEW

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.09.012

SU Dong-nan. Design of Abrasive Flow Polishing Machine Control System Based on LabVIEW［J］. The Journal of New Industrialization， 2016， 6（9）： 72-76.

苏东楠.基于LabVIEW磨粒流抛光机床的控制系统设计［J］. 新型工业化，2016，6（9）：72-76.

苏东楠（1989-），女，助教，机械制造及其自动化