1 前言

　　活塞作為內(nèi)燃機(jī)中的關(guān)鍵部件。其外圓形線越來(lái)越復(fù)雜。對(duì)活塞外形的加工精度要求越來(lái)越高，為此我們研制了活塞雙軸硬靠模仿形機(jī)床，電氣控制系統(tǒng)采用可編程序控制器和經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)控制。使經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)具備了高檔數(shù)控系統(tǒng)的PMC功能．可編程序控制器與經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)相互配合實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的工藝動(dòng)作控制。具有成本低、編程調(diào)試方便、易維護(hù)、易操作的特點(diǎn)。

2 工作原理

　　該設(shè)備由電氣系統(tǒng)、液壓與氣動(dòng)、床身、主軸部分、滑臺(tái)、前刀架、后刀架、硬靠模、尾座部分組成，設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

　　設(shè)備電氣系統(tǒng)主要執(zhí)行部件有主軸電機(jī)、主軸定位電機(jī)、主軸制動(dòng)器、滑臺(tái)伺服電機(jī)、液壓電磁鐵和氣動(dòng)電磁鐵、潤(rùn)滑電機(jī)、液壓電機(jī)、顯示部分等。設(shè)備的后刀架、尾座、工件夾緊、換刀、前刀架靠模機(jī)構(gòu)抬起與落下、吹掃、冷卻、外圓加工橫向微進(jìn)退刀等工藝動(dòng)作由液壓或氣動(dòng)實(shí)現(xiàn)，電磁鐵動(dòng)作如表1所示，另外冷卻和吹掃電磁鐵為YVll、YVl3、YVl4、YVl5，前刀架的縱向移動(dòng)由伺服機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。主軸電機(jī)低速和高速分別用于活塞外圓的粗加工和精加工，伺服機(jī)構(gòu)帶動(dòng)前刀架縱向左右移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)活塞外圓仿形加工的縱向進(jìn)給動(dòng)作；主軸低速時(shí)，對(duì)活塞外圓進(jìn)行粗加工。同時(shí)后刀架完成活塞仿形車(chē)削端面和頭部倒角；粗加工完畢，主軸變?yōu)楦咚伲欧到y(tǒng)帶動(dòng)前刀架左移，完成活塞外圓的精加工；在活塞外圓加工過(guò)程中。要求在活塞裙部和環(huán)岸部分界線實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀，金剛刀位于刀架下部．用于活塞裙部外圓加工，合金刀位于刀架上部，用于活塞環(huán)岸部外圓加工。主軸定位電機(jī)和制動(dòng)器實(shí)現(xiàn)主軸的準(zhǔn)確定位停止。工藝要求設(shè)備具有手動(dòng)狀態(tài)和自動(dòng)狀態(tài)，手動(dòng)狀態(tài)用于調(diào)整機(jī)床各部分動(dòng)作，確定工藝位置，更換工裝，手動(dòng)加工工件，另外當(dāng)故障停機(jī)后，能手動(dòng)調(diào)整機(jī)床的基本位置；自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，控制系統(tǒng)能夠按工藝實(shí)現(xiàn)活塞外圓仿形加工、仿形車(chē)削端面和頭部倒角功能；另外在設(shè)備工作過(guò)程中，出現(xiàn)故障和急停信號(hào)時(shí)，能自動(dòng)停機(jī)和發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

3 硬件設(shè)計(jì)

　　根據(jù)系統(tǒng)工作原理和工藝要求，設(shè)計(jì)硬件電路，順序動(dòng)作控制采用PLC實(shí)現(xiàn)，數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服機(jī)構(gòu)的控制，為了節(jié)約PLC的I/O節(jié)點(diǎn)，液壓電機(jī)不經(jīng)過(guò)PLC控制,PLC只采集液壓電機(jī)的故障信息，液壓電機(jī)故障時(shí),PLC進(jìn)行故障報(bào)警處理，實(shí)現(xiàn)停機(jī)并顯示故障信息，其它執(zhí)行部件均由PLC和數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的工藝動(dòng)作和人機(jī)交互。PLC選擇OMRON CPM2A-6UCDR-A型，兩個(gè)110擴(kuò)展單元為CPM1A-2OEDR型,PLC主單元與擴(kuò)展單元為繼電器輸出型;數(shù)控系統(tǒng)選擇廣州數(shù)控設(shè)備廠的具有宏程序功能的GSK98QI型車(chē)床數(shù)控系統(tǒng)。PLC主單元控制電路原理如圖2所示，PLC擴(kuò)展單元控制電路原理如圖3所示，數(shù)控系統(tǒng)電路原理如圖4所示。

圖2 PLC主單元控制電路原理圖

圖3 PLC擴(kuò)展單元控制電路原理圖

圖4數(shù)控系統(tǒng)電路和原理圖

　　該控制系統(tǒng)以PLC作為控制核心，數(shù)控系統(tǒng)作為PLC控制系統(tǒng)的一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)部件。P1.C控制系統(tǒng)有54個(gè)信號(hào)輸人點(diǎn)，包括系統(tǒng)的手動(dòng)/自動(dòng)一切換、手動(dòng)運(yùn)行、循環(huán)起動(dòng)和停止、故障、行程開(kāi)關(guān)、數(shù)控系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)通知PLC及電源接通的信號(hào)等，這些信號(hào)送入PLC進(jìn)行邏輯運(yùn)算和處理PLC控制系統(tǒng)有36個(gè)信號(hào)輸出點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行部件的控制、系統(tǒng)狀態(tài)顯示及PLC對(duì)數(shù)控系統(tǒng)信息傳遞;PLC輸出回路除顯示信號(hào)外，均通過(guò)HH54P型直流中間繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，并加人二極管續(xù)流回路，可保護(hù)PLC輸出回路作用。

　　數(shù)控系統(tǒng)電路由GSK980T型數(shù)控系統(tǒng)、DA98型伺服驅(qū)動(dòng)器、交流伺服電機(jī)、編碼器和電源等構(gòu)成。系統(tǒng)用z軸實(shí)現(xiàn)前刀架的縱向定位運(yùn)動(dòng)，采用數(shù)控程序?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)位移的數(shù)字控制，定位準(zhǔn)確，無(wú)需行程開(kāi)關(guān)檢測(cè)工藝位置，可靠性高，并且運(yùn)動(dòng)位置可以直觀顯示，方便觀察和控制。數(shù)控系統(tǒng)除標(biāo)準(zhǔn)操作面板外，在設(shè)備操作面板上還設(shè)有限位解除、急停、進(jìn)給保持按鈕。數(shù)控系統(tǒng)急停與PLC急停為同一個(gè)自鎖型蘑菇頭按鈕．以便在緊急狀態(tài)下，使數(shù)控系統(tǒng)和PLC系統(tǒng)同時(shí)緊急停止。數(shù)控系統(tǒng)還有z軸參考點(diǎn)開(kāi)關(guān)，每次加工完畢，系統(tǒng)返回參考點(diǎn)。

　　PLC和數(shù)控系統(tǒng)之間交互信息通過(guò)各自I／O口傳遞．PLC到數(shù)控系統(tǒng)的信號(hào)有：PLC循環(huán)起動(dòng)信號(hào)、自動(dòng)循環(huán)期間防止數(shù)控系統(tǒng)由面板誤起動(dòng)信號(hào)、PLC通知數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)給保持信號(hào)、PLC通知數(shù)控系統(tǒng)工件夾緊信號(hào)等。數(shù)控系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)器到PLC的信號(hào)有：NC準(zhǔn)備好、伺服準(zhǔn)備好、粗車(chē)完裙部、粗車(chē)完環(huán)岸部、精車(chē)完環(huán)岸部、糖車(chē)完裙部等信號(hào)。交互信息是PI E和數(shù)控系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的基礎(chǔ)．雙方通過(guò)交互信息可以知道對(duì)方的工作狀態(tài)及對(duì)方要求進(jìn)行的動(dòng)作，得到交互信號(hào)后，通過(guò)邏輯處理產(chǎn)生合理的處理信號(hào)，完成工藝要求的動(dòng)作，并能夠防止撞車(chē)事故的發(fā)生。

4 軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件包括PLC控制程序和數(shù)控系統(tǒng)程序，PLC控制程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的總體協(xié)調(diào)、順序動(dòng)作控制，數(shù)控系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)前刀架的縱向左右定移動(dòng)、執(zhí)行PLC的控制命令及發(fā)出數(shù)控系統(tǒng)狀態(tài)信息等，PLC控制程序流程圖如圖5所示，數(shù)控系統(tǒng)程序流程圖如圖6所示。在自動(dòng)狀態(tài)下，系統(tǒng)處于原位(即前刀架零位、后刀架后退位置、主軸定向定位、金剛刀在下、尾座在右等，這些狀態(tài)均有開(kāi)關(guān)檢測(cè)并輸入PLC)、沒(méi)有故障、伺服和數(shù)控系統(tǒng)準(zhǔn)備好及工件夾緊的情況下，PLC控制系統(tǒng)才能夠起動(dòng)自動(dòng)循環(huán)：否則應(yīng)手動(dòng)調(diào)整或排除故障。自動(dòng)循環(huán)起動(dòng)后，前刀架和后刀架同時(shí)起動(dòng)，仿形加工活塞外圓和仿形加工活塞端面及頭部倒角?；钊共看旨庸ね旰螅却蟮都芗庸ね戤吅笸说皆缓?，系統(tǒng)才能夠起動(dòng)活塞環(huán)岸部外圓加工．防止前、后刀架相互干涉、發(fā)生事故。

　　PLC發(fā)出的命令通過(guò)GSK980T型數(shù)控系統(tǒng)輸入接口賦值給其內(nèi)部所對(duì)應(yīng)的宏變量，相應(yīng)宏變量作為PLC要求數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作的條件，數(shù)控系統(tǒng)程序利用宏程序的條件轉(zhuǎn)移語(yǔ)句對(duì)相應(yīng)動(dòng)作條件進(jìn)行判斷，以確定是否可以執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，條件滿足則執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，否則進(jìn)行等待，這樣可以使數(shù)控系統(tǒng)接受PLC的控制，PLC可以協(xié)調(diào)系統(tǒng)按工藝運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

　　作者采用PLC和經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)了對(duì)活塞仿形機(jī)床的電氣控制，提出了一種PLC與經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的解決方案，該方案提升了PLC和經(jīng)濟(jì)數(shù)控系統(tǒng)的整體性能。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：作者采用PLC和經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)了對(duì)活塞仿形機(jī)床的電氣控制，提出了一種PLC與經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的解決方案。并給出了PLC控制系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)的完整方案，該方案提升了PLC和經(jīng)濟(jì)數(shù)控系統(tǒng)的整體性能。