朱先桃,姚 瑋,羅云霞,李 蕾

(浙江水利水電?？茖W(xué)校,浙江 杭州 310018)

0 引 言

隨著人民生活水平的提高,水晶制品的用量越來(lái)越大.各種水晶掛件越來(lái)越多的用于裝飾用途,比如吊燈用水晶掛綴,服飾用或門簾用水晶掛件等.這些光彩亮麗的水晶制品是以添加了特殊元素熔煉的玻璃為原料,根據(jù)需要,用模具將熔融的玻璃扣壓形成毛坯,然后通過(guò)研磨機(jī)床磨削加工后得到的.

本文根據(jù)研磨水晶的生產(chǎn)工藝要求,設(shè)計(jì)了基于PLC的水晶研磨機(jī)床的控制系統(tǒng),并已投入使用.

1 水晶加工流程和機(jī)床的工作原理說(shuō)明

以圖1(a)的多面體水晶成品為例說(shuō)明水晶機(jī)床的加工動(dòng)作.該產(chǎn)品的原料為球狀毛坯玻璃.加工過(guò)程分上下半球兩次完成,見圖1(b),先將球的軸線一端用強(qiáng)力膠水粘在夾具上,夾具在機(jī)床機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下,完成兩個(gè)動(dòng)作:轉(zhuǎn)面、轉(zhuǎn)行,見圖1(b).每轉(zhuǎn)一個(gè)加工面,磨盤上下運(yùn)動(dòng)一次,完成一個(gè)面的磨削加工;直到完成一行所有面的加工后,水晶球隨夾具轉(zhuǎn)角一次,再完成新一行所有面的加工;完成了上半球的一次加工后工件回到初始加工位置,準(zhǔn)備第二次磨削.整個(gè)磨削過(guò)程分三次,分別是:粗磨、精磨和拋光.接下來(lái),將水晶球從夾具上取下,再將其反面粘到夾具上,完成另外半球的加工.粗磨時(shí),磨盤進(jìn)給的速度較快;精磨速度慢;拋光速度最慢.三道工序采用不同精細(xì)度的磨盤,精細(xì)度依次增加.上下半球分別經(jīng)過(guò)三道磨削工序后,最后才得到光澤剔透的水晶球.

圖1 研磨水晶加工動(dòng)作說(shuō)明

具體機(jī)床結(jié)構(gòu)見圖2,機(jī)床共有5個(gè)電機(jī),其中磨盤轉(zhuǎn)動(dòng)鼠籠電機(jī)通過(guò)皮帶驅(qū)動(dòng)磨盤旋轉(zhuǎn);磨盤升降步進(jìn)電機(jī)通過(guò)絲桿驅(qū)動(dòng)磨盤做升降運(yùn)動(dòng);轉(zhuǎn)行步進(jìn)電機(jī)通過(guò)兩個(gè)具有反向螺紋的螺桿驅(qū)動(dòng)蝸輪,帶動(dòng)擺桿及工件做0°～90°范圍內(nèi)的俯仰轉(zhuǎn)行運(yùn)動(dòng);兩個(gè)轉(zhuǎn)面步進(jìn)電機(jī)各自通過(guò)絲桿驅(qū)動(dòng)一個(gè)或多個(gè)蝸輪,帶動(dòng)工件做轉(zhuǎn)面動(dòng)作.兩個(gè)轉(zhuǎn)面步進(jìn)電機(jī)是通過(guò)一個(gè)控制信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng).這里兩個(gè)轉(zhuǎn)面電機(jī)及各自帶動(dòng)多個(gè)工件蝸桿目的主要是為了提高一次加工的水晶工件數(shù)量,一次加工得到多個(gè)同形狀的水晶制品,提高生產(chǎn)效率.

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

工件粗磨、精磨和拋光的流程見圖3,三道工序都是這個(gè)流程,區(qū)別的只是加工參數(shù)(磨削深度和磨削進(jìn)給速度)不同.每次的加工在完成的時(shí)候,需要更換磨盤.

水晶研磨的過(guò)程是三個(gè)步進(jìn)電機(jī)(磨盤升降電機(jī)、轉(zhuǎn)行步進(jìn)電機(jī)和轉(zhuǎn)面步進(jìn)電機(jī))的協(xié)調(diào)控制過(guò)程.兩個(gè)轉(zhuǎn)面電機(jī)接受同一信號(hào)控制,軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中作一個(gè)步進(jìn)電機(jī)處理;磨盤旋轉(zhuǎn)電機(jī)只需要簡(jiǎn)單的啟?？刂?

圖2 水晶研磨機(jī)床機(jī)構(gòu)示意圖

要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的加工,每個(gè)面的磨削都需要4個(gè)參數(shù):轉(zhuǎn)行角度、轉(zhuǎn)面角度、磨削深度、磨削速度.轉(zhuǎn)行角度、轉(zhuǎn)面角度,這兩參數(shù)可以根據(jù)用戶要求給出;磨削深度和磨削速度需要通過(guò)試車運(yùn)行的方式得到.試車運(yùn)行得到的參數(shù),可以作為同型產(chǎn)品的自動(dòng)加工參數(shù).

程序設(shè)計(jì)中,必須考慮試車運(yùn)行和自動(dòng)運(yùn)行兩種工作方法.

2.1 硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用“PLC+文本顯示器+伺服驅(qū)動(dòng)器”的形式,伺服驅(qū)動(dòng)器接受PLC脈沖來(lái)控制步進(jìn)電機(jī),磨削控制的參數(shù)設(shè)置和過(guò)程監(jiān)控參數(shù)通過(guò)文本顯示器來(lái)設(shè)置和顯示.三個(gè)伺服控制器需要三個(gè)脈沖控制信號(hào).具有三個(gè)脈沖量輸出的PLC和具有兩個(gè)脈沖量輸出的PLC價(jià)格相差較大.考慮到加工中,三個(gè)脈沖同時(shí)輸出的情況較少,選擇具有兩路脈沖輸出的PLC,其中一路用來(lái)控制磨盤升降,另外一路利用分時(shí)復(fù)用方式產(chǎn)生兩路脈沖控制信號(hào),分別控制轉(zhuǎn)行和轉(zhuǎn)面.

圖3 粗磨/精磨/拋光流程

PLC選用無(wú)錫信捷公司生產(chǎn)的XC3-24T-E(采用晶體管輸出),文本顯示器選用同廠生產(chǎn)的OP320-A;伺服驅(qū)動(dòng)器選用深圳市研控公司生產(chǎn)的YKA2608MG(驅(qū)動(dòng)磨盤升降,驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)容量在110～220 V,相電流在7A 內(nèi))和YKA 3722MA(驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)行和轉(zhuǎn)面,驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)容量在24～80 V,相電流在6 A內(nèi)).PLC的I/O分配及信號(hào)說(shuō)明見表1.

表1 I/O分配表及信號(hào)說(shuō)明

磨盤升降脈沖Y0的COM0、磨盤升降方向Y3輸出的COM2與輸入端的COM短接.利用PLC的高速計(jì)數(shù)指令得到磨盤的高度信息,反映在文本顯示器上,并通過(guò)設(shè)置的高度的最大值來(lái)作高位限位,磨盤的低位限位通過(guò)下限位開關(guān)達(dá)到.

啟動(dòng)方式有三種[1]:啟停鍵啟動(dòng)、壓桿啟動(dòng)和文本顯示器鍵盤命令啟動(dòng).為了避免機(jī)械碰撞還設(shè)置了轉(zhuǎn)行復(fù)位限位開關(guān).

XC3-24T-E只提供兩路固定的脈沖輸出端口Y0和Y1,控制系統(tǒng)需要三路脈沖信號(hào).PLC一路脈沖輸出端口Y1通過(guò)以下的電路分配出兩路脈沖輸出.該分配方法在PLC輸出端口完成,不需要外部電路配合,只增加三個(gè)電阻[2-3],見圖4.該P(yáng)LC采用晶體管輸出方式,采用圖示接線后就能將Y1的脈沖輸出轉(zhuǎn)換為兩路脈沖輸出.只是轉(zhuǎn)行和轉(zhuǎn)面的脈沖不能同時(shí)作用,并且輸出的電壓等級(jí)降為12 V,可以直接驅(qū)動(dòng)伺服控制器.

圖4 脈沖分配接線

2.2 軟件設(shè)計(jì)

文本顯示器通過(guò)數(shù)據(jù)線和PLC連接,可以在文本顯示器的鍵盤上設(shè)置PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)單元,并可以將其中一些用戶關(guān)心數(shù)據(jù)單元顯示出來(lái).文本菜單的主界面設(shè)計(jì)見圖5的“Z-”指示當(dāng)前磨盤高度;“上粗磨”指示當(dāng)前正在磨削的行和面;“上”指示上半球磨削行的范圍;“后”指示下半球磨削行的范圍.

圖5 主菜單

圖6 設(shè)置菜單

參數(shù)設(shè)置菜單見圖6,按照這種方式,設(shè)置菜單還有:行角度菜單、面角度菜單和面深度菜單,以及加工速度設(shè)置菜單.設(shè)置菜單中的每個(gè)設(shè)置的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)PLC中的某個(gè)具體數(shù)據(jù)單元.

系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求機(jī)床允許加工50行,每行360個(gè)面,所以PLC數(shù)據(jù)區(qū)規(guī)劃如下:行角度脈沖當(dāng)量地址為D4200開始的100個(gè)字節(jié);面深度脈沖當(dāng)量為D4300開始的720個(gè)字節(jié);面角度脈沖當(dāng)量為D5020開始的720個(gè)字節(jié).

程序設(shè)計(jì)的流程和圖3一致,自動(dòng)運(yùn)行和試車運(yùn)行不同之處在:試車運(yùn)行每個(gè)步驟執(zhí)行完畢停止,可以進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置和修改,并且可以手動(dòng)進(jìn)行到下一步.

程序設(shè)計(jì)中使用了狀態(tài)流的設(shè)計(jì)方法,使得代碼實(shí)現(xiàn)時(shí)候具有較高的效率和運(yùn)行速度.發(fā)脈沖使用了雙字節(jié)的DPLSR脈沖發(fā)生指令,可以指定發(fā)出脈沖的當(dāng)量和頻率,包含加速已經(jīng)減速過(guò)程,通過(guò)合理選擇加減速脈沖量,使得磨盤上升和下降不發(fā)生失步;并輔以脈沖方向信號(hào),控制伺服控制器帶動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的工作.因而可以得到較高的磨削精度.

3 系統(tǒng)調(diào)試

使用信捷公司的OP20軟件將編制好的文本界面文件下載到文本顯示器.XC3-24T-E含兩個(gè)通訊接口,其中一個(gè)連接文本顯示器,另外一個(gè)連接到PC機(jī).用信捷PLC開發(fā)軟件XCPpro將程序下裝到PLC中,運(yùn)用該軟件的在線監(jiān)控功能,在線監(jiān)控PLC程序的運(yùn)行狀態(tài),完成系統(tǒng)整個(gè)調(diào)試[4].在調(diào)試的同時(shí),對(duì)程序運(yùn)行進(jìn)行了優(yōu)化.

4 結(jié) 語(yǔ)

目前,該水晶研磨機(jī)床已經(jīng)投入了使用,生產(chǎn)出各式各樣的水晶產(chǎn)品.但是這些產(chǎn)品與國(guó)外品牌(諸如:施華洛世奇SWAROVSKI)相比,在加工精度方面,存在一定差距;使用也未完全達(dá)到全自動(dòng)化.加工精度主要還是由于步進(jìn)電機(jī)的失步造成,因而可以考慮以后在產(chǎn)品改進(jìn)過(guò)程中使用伺服電機(jī)以及伺服控制器.磨盤在磨削過(guò)程中自身的磨損造成的精度下降目前還沒有辦法解決.加工自動(dòng)化和加工參數(shù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面還有很多可以改進(jìn)的地方.

[1]王阿根.PLC控制程序精編108例[M],北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[2]宋伯生.PLC編程實(shí)用指南[M],北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[3]宋伯生.PLC編程理論?算法及技巧[M],北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[4]杜從商.PLC編程應(yīng)用基礎(chǔ)(三菱)[M],北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.