基于PLC技术的螺栓自动化加工设备控制系统设计

马海波

（江苏省南通中等专业学校，江苏南通，226011）

0 引言

目前我国机械加工全自动化控制技术方面的研发与应用仍不成熟，特别是一些中小企业中，大多数仍然采用传统电气控制机械加工模式。鉴于这一情况，有必要应用PLC技术、传感器技术以及电气控制技术，设计一款自动化控制系统构建成本较低、操作难度较低、易于推广的PLC机械加工自动化控制系统。

1 钻床控制系统主要构成

1.1 电气控制

在钻床所有机械装置中，电气控制流程的实现需要有序合理安装检测部分、控制部分以及执行部分，图1为电气控制的基本流程。

图1 电气控制工作流程

按照电气控制系统的工作流程，针对机械构造中电气的元件安装的位置进行设计。具体步骤如下：首先，将一个搜板设备安装在连接于气缸的传动槽和振动料斗的出料口位置，该搜板通过电磁铁进行控制；然后，将检测传感设备安装在气缸的复位位置，利用所检测信号对气缸的推块进行驱动，推动推块进行上下运动，气缸在换向阀门的作用下完成上下转向；在不同的位置设置SQ开关，来控制气缸推块运行的工进和速度；其次，为了对电机转动的方向、对夹具气缸进行定位的夹子松紧程度以及钻床加工等工作进行控制，将不同传感设备及开关设置在输送轨道的不同位置。在钻床位置加工通化螺栓，将加紧设备以及夹具气缸设置在该位置。

1.2 信息采集

在对钻床进行自动控制时，检测传感设备、电机转动方向以及自动控制PLC等需要传输转换各种信号，对执行构件动作进行控制，实现电气控制的til模拟信号。现场检测构件、主令开关、传感设备、限位开关、按键的关启等输入信号的采集，利用电磁阀、驱动继电设备、指示灯等构件所传输的信号，对执行元件进行驱动。A/D转换中，每经过一个△t的时间间隔，进行一次模拟量瞬时值的采集，在电路中将所多采集的瞬时值在△t间隔内予以保持，并数值化信号，进行设定数位电平信号转换。

1.3 控制执行设备的方法

（1）执行设备的电动控制

在自动控制钻床中，其执行设备包括电磁驱动和执行设备两部分。其中，电磁驱动设备，振动盘的控制原理是在支撑弹簧振动以及电磁铁的吸力作用下，螺栓构件沿螺栓槽由顶盘的底部向上运行；将一块挡板设置在气缸滑动轨道和振动料斗的出料位置，该挡板由电磁铁进行控制，各个螺栓升降下滑程序由挡板控制；将电磁铁的离合设备安装在电机的主轴上，利用电磁铁的驱动设备确定电机停止的位置。另外还有电机执行设备。将电机安装于滚珠丝枉最右端，在电机作用下左右移动轨道滑块，并确定停止位置。钻床的内部也设有电机执行设备。

（2）执行设备的气压控制

该系统中，通过气压进行动作控制的两处，一个是丝杠轨道和振动盘滑道相互连接的位置，气缸执行设备安装在该处，利用电磁阀门对推块进行驱动。一个是钻床加工的位置，当携带螺栓运行的滑块运行到该位置时，电机转动自动停止，在气缸夹具设备定位夹紧的作用下，降低电磁控制阀门，夹紧螺栓，由钻床对螺杆进行打孔。

2 电气控制设计步骤

2.1 自动控制检测传感器的选型

螺栓加工钻床自动化控制系统主要依赖于传感器检测信号，因此传感器的选型直接关系到自动化控制系统的实效性。

钻床加工过程中螺栓需要移动，因此在边缘位置的传感器需要选用非接触式监测功能的传感器，而常见的非接触式传感器有电涡流传感器、磁电传感器、超声波传感器、光电传感器等。其中光电传感器具有相应快、监测结果精确、监测范围大等优势，因此建议选择采用光电传感器用来检测螺栓工件是否被正常定位，由于螺栓工件属于冷金属加工，建议采用透光型的光电断路传感器最为合适。

透光型光电传感器主要监测装置为光敏元件，考虑到螺栓工件边缘遮光变化的特点，此采用光敏二极管、晶体管等光敏元件均不合适，因此建议采用光电池来测量螺栓工件的遮光变化，监测结果更加精准。另外需要设置一个稳定光源，建议采用红色发光二极管作为光源。

2.2 行程开关

螺栓钻床加工系统设计时会有大量的行程开关，这些开关用于控制启动执行机构以及制动装置，同样自动化控制系统的最终的执行部分同样需要依赖于行程开关来实现对钻床设备的控制。因此处于自动化控制系统鲁棒性的考虑，建议选择霍尔接近开关，该系列型号进程开关具备性能好、灵敏度高、使用寿命长等特点。

2.3 气压控制元件选型

气压控制元件包括气缸控制阀以及其他气动控制元件：气缸控制阀主要用于控制气缸推杆在任意位置启动或停止，一次你本文建议采用三位控制阀，考虑到需要检测气缸活塞运动行程，在往复运动中为了保证检测结果的精确度，建议选用三位五通中封电控先导式电磁换向阀。另外配合气缸控制阀实现对气缸的平稳控制，同样需要空气过滤器、减压阀等配套元器件，这些配套元器件同样需要安装对应的控制元件，为了保证气缸推杆运动速度自动化调节功能的实现，建议对这些配套的气动控制元件采用单向节流阀控制。

2.4 PLC软件的选型

对于台式钻床机械加工工程的自动化控制软件通常采用PLC作为主控程序，而PLC软件可以细分为系统软件与应用软件。系统软件主要指用户在使用可编程编程器前，就装入机内的一部分基础程序软件。应用软件就是为自动控制人员提供编程控制的人机交互软件程序。目前机械加工自动化控制的PLC编程语言与编程器种类众多，根据台式钻床工艺特点以及本人的工作经验，最后建议U型安永三菱公司的FX系列PLC应用软件，其中FX2N型号的PLC的没一个单元都可以通过I/O扩展单元为256I/O，能够满足钻床较为复杂的自动化控制任务要求。具体FX2N型号PLC的基本单元如表1所示：

表1 FX2N系列PLC的基本单元

3 电气控制系统总体工作流程

3.1 电气控制原理

该钻床自动控制原理：在振动盘中放入螺栓，通过电磁振动，螺栓自动排列成对，通过振动料斗的出料口落入气缸堆块。这时候螺栓将光电断路设备切断，并升高光电断路设备前面由电磁控制的挡板，将由振动料斗的出料口处输送螺栓的出路阻断，通过控制阀作用升高气缸。利用高压气体推动气缸活塞，把螺栓输送到轨道的滑块位置，对右侧的行程开关进行按压。这时候，一定时间内气曲保持不动。启动斤程开关，连接于丝杠的电机出现正方向转动，在其带动下，丝枉轨道中螺栓快速向右边移动；丝杠轨道中螺栓经过行程开关，电机正方向转动的能耗降低速度，产生制动，轨道滑块和螺栓利用钻床的加工平台上的传感设备检测对电机主轴抱阐设备的动作快速停止进行控制。此时，该位置夹具气缸启动，气缸在电磁阀门的控制下，降低工作台定位夹紧设备，定位螺栓加紧，打孔时间延长。将夹紧装置下降，按压限位开关，开启钻床，在螺杆上打孔，完成钻床打孔，利用气缸的高压气体将夹紧设备推动升高，螺栓松开。再次启动电机正方向转动，在其作用下螺栓等设备向右侧发生位移。移动过程中螺栓在出料口位置下落，按压限位开关，电机转动停止然后反方向转动，向左移动延时一定时间后停止转动。这时候，下落光电断路设备前面的挡板。通过这样的循环运动，有序加工元件。

3.2 PLC编程概述

钻床控制的组成部分包括电磁拉制设备、检测开关、电磁阀门控制设备、丝枉传动设备、H相异步电机、放松夹紧设备、加工设备等。其具体控制要求为：

第一，在振动盎设备的SB1按键按下以后，在电磁振动的作用下，振动盘内大量的螺栓自动按照一定的顺序进行排列，通过给料槽落到A推杆的定位平台中，1＃传感设备检测出光源断开，此时一个信号生成，通过电磁阀作用，该处A气缸推杆开始升高，同时升高前面的电磁挡板。钻床的控制有光电检测开关、电磁铁拉制装置、气缸一电磁阀控制装置、H相异步电动机及丝枉传动装置、气缸定位加紧放松装置、钻床加工装置等组成。

第二，A气缸推杆设备升高时，推杆快速升高，SQ2开关变成推杆工进上高，SQ3上限行程的开关被压动，停止推杆上升，同时延时开始，通电2s复位。这时候，螺栓被推杆推到了A气缸的正上方的a设备中，丝杠同a设备相连，右端异步电机同丝杠相连。

第三，压动上限行程开关SQ3后，启动右端的H相异步电动机正转，定型装置a在丝杠上由电动机带动螺栓在传送槽内右移；右移过程中压动行程开关SQ4，此时电动机能耗制动，接直流电源，正转减速至零，经过2＃传感器（光电检测开关）时，检测到一个信号给电磁离合器，通过电动机主轴上的电磁离合器自动抱间装置使电动机立刻停止，定型装置a恰好停在钻床加工平台上。

第四，加工平台处2＃传感器（光电检测开关）检测到光源彼阻断，此处汽缸B的推杆开始快进下降；汽缸B推巧装置在下降过程中，开始推杆快进下降，压动中间行程开关SQ6改为推杆工进下降，最后下降中压动下限巧程开关SQ7，推杆下降停止并延时5分钟（注；螺栓己被气动装置定位夹紧）。

第五，延时5分钟中钻床接通信号，开始给螺栓杆部钻孔，钻头复位；延时结束后，气缸：夹紧装置自动松开上升。

第六此后冉次自动启动右端H相异步电动机正转，带动定型装置a右移，右移中当压动斤程开关SQ8时，电动机制动减速停止，同时传送槽中的螺栓通过漏槽落入螺栓放置箱内。

第七电动机在停止过程中又皮动行程开关SQ9，电动机瞬时转换成反转，带动定型装置a左移，延好几分钟，停至气缸A上方；停止同时电磁铁控制挡板下降，另一螺栓开始重复上一个螺栓的动作。

4 结论

本文根据螺栓加工的钻床自动化控制加工工艺的技术要求，在已有机械设备电气控制系统的基础上，从节省人力资源成本以及高效加工的优化视角出发，从传感器装置的选型安装到PLC主控程序的选型与编程方面提出了PLC自动化控制技术与传统机床电气控制系统融合的钻床自动化控制系统设计思路，希望对中小企业台式钻床产线自动化技术改造有所帮助。