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

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2013年11月 第41卷第22期 機(jī)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(tái)的設(shè)計(jì) 楊輝 侯榮國 矯玉菲 姜鵬鵬 梁麗芬 房曉 山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院精密與特種加工省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東淄博255049 摘要 設(shè)計(jì)一套教學(xué)型回轉(zhuǎn)式多工位加工系統(tǒng) 為機(jī)械類本科學(xué)生提供機(jī)械傳動(dòng)類 機(jī)械制造工藝類 機(jī)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(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目 以解決目前相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)條件不足的難題 它主要由多工位回 轉(zhuǎn)工作臺(tái) 工作臺(tái)控制裝置 自動(dòng)夾緊加工機(jī)構(gòu) 粗 精銑床工位 鉆床工位等部分組成 可以實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn) X Y向工 件進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 鉆 銑床z向進(jìn)給及主軸旋轉(zhuǎn)及工件自動(dòng)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(jìn)電機(jī)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn) X Y向和粗 精加工銑床 鉆床z向的運(yùn)動(dòng) 同時(shí)利用電磁閥控制氣缸對工件的夾緊 動(dòng)作 以保證加工過程順利進(jìn)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(tái)解決了目前加工過程中重復(fù)定 位 裝卸頻繁 勞動(dòng)強(qiáng)度大等缺點(diǎn) 實(shí)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(hào) TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B 文章編號(hào) 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(jī)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(dòng)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(jī)械 類本科學(xué)生提供了機(jī)械傳動(dòng)類 機(jī)械制造工藝類 機(jī) 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(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目 雖然各高校都有用于教學(xué)的實(shí)驗(yàn)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(dòng)強(qiáng)度大 加工精度低等缺點(diǎn) 學(xué) 生很難得到相關(guān)課程知識(shí)的鍛煉 實(shí)踐意義不大 為了使學(xué)生的實(shí)踐操作能力滿足現(xiàn)代自動(dòng)化加工 現(xiàn)場的需求 并使他們能夠很快地投入到實(shí)際工作 中 必須具有專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)知識(shí)和高水平的實(shí)驗(yàn)設(shè) 備 因此 作者設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單 成本便宜 而 容易達(dá)到經(jīng)濟(jì) 精度要求的教學(xué)型回轉(zhuǎn)工作臺(tái) 該工 作臺(tái)采取多工位圓盤回轉(zhuǎn)式加工 實(shí)現(xiàn)了精確的自動(dòng) 分度 擴(kuò)大了數(shù)控機(jī)床加工范圍 集粗銑 精銑 鉆 加工于一身的加工工作臺(tái) 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(gè)工 位都具有待用夾具裝置 提高了工作效率 該工作臺(tái) 不但結(jié)構(gòu)簡單 而且易于維修 各個(gè)部件均可獨(dú)立工 作 維修時(shí)只需更換出問題的零件 無需費(fèi)力將工作 臺(tái)解體 應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛 實(shí)驗(yàn)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(shí)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?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)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(tái)的設(shè)計(jì) 25 學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力 1 教學(xué)型回轉(zhuǎn)式多工位加工工作臺(tái)工作原理 回轉(zhuǎn)式多工位加工工作臺(tái)由交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū) 動(dòng) 經(jīng)齒輪減速后由蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn) 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的導(dǎo)軌面由大型滾動(dòng)軸承支承 必須采用 高精度圓柱齒輪 因此它的進(jìn)給 分度轉(zhuǎn)位都是由光 柵尺反饋進(jìn)行控制的 3個(gè)工作工位可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)加 工 效率高 沿工作臺(tái)圓周方向均勻分布6個(gè)自動(dòng)夾 緊加工機(jī)構(gòu)進(jìn)行夾緊 物料搬運(yùn)裝置將工件運(yùn)抵工作 臺(tái)后 自動(dòng)夾緊加工機(jī)構(gòu)通過氣壓裝置電磁閥的動(dòng)作 控制氣缸拉桿伸縮 實(shí)現(xiàn)工件的夾緊 工作臺(tái)面通過 底部交流伺服電動(dòng)機(jī)和齒輪減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)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(shí)自動(dòng)夾緊加工機(jī)構(gòu)上 y向的步進(jìn)電機(jī)通 過絲杠傳動(dòng) 實(shí)現(xiàn)工件 l 向的定位 使工件運(yùn)動(dòng) 到待加工工位 鉆 銑床加工位置 多工位工作臺(tái) 有3個(gè)待用工位 各工位功能不同 實(shí)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(huì)對工件分別進(jìn)行加工 首先由鉆床對工件進(jìn)行鉆 孔 完成工件的鉆孑L加工 再由銑床對工件進(jìn)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(tái)通過 l 向步進(jìn)電機(jī)聯(lián)動(dòng)將工件自 動(dòng)送到預(yù)定的出件工位 待用夾緊機(jī)構(gòu)及時(shí)就位加工 實(shí)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(tái)工作原理圖 2 回轉(zhuǎn)式多工位加工工作臺(tái)機(jī)械部分的設(shè)計(jì) 2 I銑床結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 銑床由進(jìn)給交流電機(jī) 光柵尺 直線導(dǎo)軌 滾珠 絲杠 切削交流電機(jī) 刀具鉆夾頭組成 銑床主要是 對貨箱的表面進(jìn)行銑削加工 其銑削的深度由光柵尺 進(jìn)行精確控制 2 2鉆床結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 鉆床由進(jìn)給步進(jìn)電機(jī) 直線導(dǎo)軌 滾珠絲杠 切 削交流電機(jī) 刀具鉆夾頭組成 鉆床主要是對貨箱中 的孔進(jìn)行鉆削加工 其鉆削深度由步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制 回轉(zhuǎn)式多工位加工工作臺(tái)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(tái) 5 自動(dòng)夾緊加工機(jī)構(gòu) 圖2 回轉(zhuǎn)式多工位加工工作臺(tái)總體結(jié)構(gòu)圖 1一進(jìn)給交流電機(jī)2一直線導(dǎo)軌3一滾珠絲杠 4一切削交流電機(jī)5一刀具鉆夾頭 圖3鉆 銑單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 3 多工位工作臺(tái)及自動(dòng)夾緊加工機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 多工位工作臺(tái)及自動(dòng)夾緊加工機(jī)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)工作 臺(tái) 貨箱夾緊機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)盤心軸 馬氏機(jī)構(gòu) 交流電機(jī) 組成 多工位工作臺(tái)及自動(dòng)夾緊加工機(jī)構(gòu)主要是利用 馬氏機(jī)構(gòu)的間歇運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)齒輪箱的裝配 提高效率 其中 自動(dòng)夾緊加工機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī) 絲杠 移動(dòng)滑 臺(tái) 光杠導(dǎo)軌 氣壓缸組成 加工時(shí) 采用氣壓缸作 為工作臺(tái)的夾緊裝置 步進(jìn)電機(jī)在數(shù)控程序的控制下 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu) 軸 y軸的定位運(yùn)動(dòng) 回轉(zhuǎn)式多工位加工工作臺(tái)主要參數(shù)如表I所示 表I 回轉(zhuǎn)式多工位加工工作臺(tái)主要參數(shù) 工作臺(tái)轉(zhuǎn)角 鉆銑床行程 mm 自動(dòng)夾緊加工機(jī)構(gòu)行程 y軸 mm 夾緊裝置行程 mm 360 400 200 25 26 機(jī)床與液壓 第41卷 3教學(xué)型回轉(zhuǎn)式多工位加工工作臺(tái)的控制部分設(shè)計(jì) 3 1 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 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(jī) 電磁閥和步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)作 以實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn) X Y向和粗 精加工銑床 鉆床 z向的運(yùn)動(dòng) 氣缸對工件的夾緊等一系列功能 保證 加工過程順利進(jìn)行 首先操作人員通過人機(jī)界面發(fā)出 指令 工作臺(tái)PLC控制器接到數(shù)控系統(tǒng)的指令后 松開圓周運(yùn)動(dòng)部分的蝸輪夾緊裝置 松開蝸輪 然后 啟動(dòng)交流伺服電機(jī) 按數(shù)控指令確定工作臺(tái)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(shí) 物 料搬運(yùn)裝置將工件運(yùn)抵工作臺(tái) 自動(dòng)夾緊機(jī)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(jìn)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(tái)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 到達(dá)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(jìn)電機(jī)聯(lián)動(dòng) t 工件出位 電磁閥 步進(jìn)電機(jī)動(dòng)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(tái)中回轉(zhuǎn)工作 臺(tái)及自動(dòng)夾緊加工機(jī)構(gòu)的控制原理 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)由交流伺服電機(jī) 傳動(dòng)裝置和工作臺(tái) 組成 其中傳動(dòng)裝置由齒輪傳動(dòng)和蝸桿傳動(dòng)組成 在 伺服電機(jī)和工作臺(tái)之間傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力 并可實(shí)現(xiàn)分 度運(yùn)動(dòng) 當(dāng)回轉(zhuǎn)式多工位加工工作臺(tái)接到數(shù)控系統(tǒng)的 指令 首先松開圓周運(yùn)動(dòng)部分的蝸輪夾緊裝置 松開 蝸輪 然后啟動(dòng)交流伺服電機(jī) 按數(shù)控指令確定工作 臺(tái)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(yùn)裝置將工件運(yùn)抵工作臺(tái) 自動(dòng)夾緊加工機(jī) 構(gòu)對工件進(jìn)行夾緊 夾緊動(dòng)作通過氣缸驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn) 采用氣動(dòng)控制方式 以靜音空氣壓縮機(jī)為氣源 利用 PLC控制器控制電磁閥的通斷以實(shí)現(xiàn)工件的固定 同 時(shí) 自動(dòng)夾緊加工機(jī)構(gòu)上 l 向的步進(jìn)電機(jī)在PLC 的控制下 實(shí)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(tái)中鉆 銑床 的控制原理 工件精確定位后 工作臺(tái)上的鉆床 銑床會(huì)對工 件分別進(jìn)行加工 首先由鉆床對工件進(jìn)行鉆孔 鉆頭 的上下運(yùn)動(dòng)通過進(jìn)給交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠傳動(dòng)實(shí)現(xiàn) 鉆 頭的旋轉(zhuǎn)由切削交流電機(jī)驅(qū)動(dòng) 再由銑床對工件進(jìn)行 分層銑削加工 進(jìn)給交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠沿直線導(dǎo)軌運(yùn) 動(dòng)實(shí)現(xiàn)銑刀的上下運(yùn)動(dòng) 光柵尺精確控制銑刀的進(jìn)給 加工 切削交流電機(jī)通過控制銑刀的轉(zhuǎn)向和切削速度 實(shí)現(xiàn)工件的銑削加工 加工完成后由多工位工作臺(tái)通 過 y向步進(jìn)電機(jī)聯(lián)動(dòng)將工件自動(dòng)送到預(yù)定的出件 工位 進(jìn)入下一個(gè)單元 4結(jié)論 教學(xué)型回轉(zhuǎn)式多工位加工工作臺(tái)以PLC為控制 核心 采用多工位 圓盤回轉(zhuǎn)式加工 擴(kuò)大了數(shù)控機(jī) 床加工范圍 提高了加工精度 該工作臺(tái)不但結(jié)構(gòu)簡 單 而且易于維修 各個(gè)部件均可獨(dú)立工作 維修時(shí) 只需更換出問題的零件 無需費(fèi)力將工作臺(tái)解體 回 轉(zhuǎn)式多工位加工工作臺(tái)作為加工中心 復(fù)合機(jī)床等裝 備的核心部件之一 對實(shí)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(shí)踐操作經(jīng)驗(yàn)不足等問題 同時(shí) 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(xiàn) 1 龔景安 許立忠 機(jī)械設(shè)計(jì) M 2版 北京 機(jī)械工業(yè)出 版社 1998 2 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊 編寫組 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊 M 北京 機(jī) 械工業(yè)出版社 1986 3 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 編委會(huì) 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 第2 3 5卷 M 北京 機(jī)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(dòng)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(bào) 2008 10 3 84 86 5 呂強(qiáng) UCP710五軸機(jī)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(jì)與應(yīng)用 M 北京 機(jī)械 工業(yè)出版社 1995 7 張曙 Heisel U 并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床 M 北京 機(jī)械工業(yè)出版 社 2003 8 卞洪元 基于PLC控制的工業(yè)自動(dòng)化教學(xué)設(shè)備 J 機(jī) 械工程師 2005 9 33 34 9 周濟(jì) 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