倒角机的数控化改造

吴岳敏，罗敏，雷钧，刘凌云，马彬

（湖北汽车工业学院电气与信息工程学院，湖北十堰442002）

随着自动化程度的不断提高，生产效率也在不断提高。传统加工大量使用手动机床，因此需要技术熟练工人操作，废品率较高，质量稳定性差，且一般工人培养成熟练工人成本较高。要想改变这种状况有2种途径：1）重新购置自动化加工设备。根据工件的加工特点购置，这类设备一般都为专用设备，购置成本高，而且普遍适用性差。2）将手动机床进行自动化改造，该方法节省成本，而且改造后的设备是针对该工件加工的，专机效率高。本次项目实施过程中，由于相同类型机床较多，设备的机械传动部分基本正常而且磨损较小，为节省成本，选择将机床进行自动化改造。

1 总体方案

由于后续加工需要利用圆边定位，传递动力使圆筒旋转，因此需要在圆筒端部内侧加工一个60°倒角，外侧加工一个45°的倒角，且倒角边长有一定的尺寸要求，同时要求该设备能满足多品种圆筒的倒角。

改造前设备是采用手摇轮驱动丝杆旋转，将刀固定在滑台上之后，通过一个换位操作杆决定手摇轮驱动哪个轴进给，当选挡操作杆处在A位置时，控制轴向进给；当选挡操作杆处在B位置时，控制径向进给。通过以上操作，控制十字滑台在平面内滑动，通过操作工人判断是否加工到位，加工完成之后，测量是否合格。

由于设备所加工的圆筒直径是一个个的确定值，并不是连续变化的连续值，所以本次改造中将选挡装置去掉，使用伺服电机驱动轴向进给，通过不同的刀具以及刀头的方位确定径向尺寸。通过轴向和径向进给控制刀具在二维平面内的加工尺寸。机械系统加工原理图如图1所示。由于单个品种只需加工2个倒角面，图1中四刀位刀架可以加工2个品种，如需加工更多品种只需要更换刀位的刀架即可。

图1 机械系统图加工原理图

传统加工必须是X-Y 二维平面，必须采用数控系统、2套伺服电机加驱动，设备昂贵。在项目实施过程中由于经费有限，必须采用经济且能达到要求的方案。考虑到所加工的管材端面在尺寸上全部都是一个个离散量，不需要连续，所以采用电动刀架上刀具的长短取代一个轴（X轴），即只需要控制电动刀架的旋转，从而控制刀在该轴（X轴）方向上的长度，在进给方向（Z轴）上则通过伺服电机控制丝杆旋转，从而驱动滑台的运动。单轴的控制，只需要采用带高速脉冲输出的PLC直接驱动伺服电机可，无需采用昂贵的数控系统。通过该方案，可以满足加工要求，同时降低成本。

该系统中通过伺服电机带动丝杆旋转来驱动滑台在工件轴向（X轴）的位置，通过设置刀具形状、长度及位置确定径向（Y轴）位置。图1中虚线圆即加工时刀具的轨迹，不同刀具径向长度不一样。通过二者的结合，实现二维平面（X-Y平面）的位置控制，从而控制不同管径工件的端面加工。

2 硬件系统设计

2.1 PLC系统设计

控制系统采用PLC为控制器，可以向外输出100 kHz 脉冲，将脉冲输送到安川伺服驱动器，驱动伺服电机旋转。系统的输入输出采用台达触摸屏，组态相应界面，将工件的选择在触摸屏上完成，同时可以实时监控系统的运行状态，将系统运行中的各项参数显示出来。采用电动刀架换刀，配合必要的按钮和指示灯运行。PLC系统结构见图2。

图2 PLC系统结构图

系统采用三菱FX3G-40MT PLC，可以输出最大100 kHz的脉冲，具备24点I/O输入，16点I/O输出。触摸屏采用台达DOP B10S411 触摸屏，该屏为10.4寸，采用422通信口直接和PLC通信。

2.2 电动刀架

选用LD4系列四工位电动刀架。当控制系统发出换刀信号之后，刀架电机正转，减速机构和升降机构将上刀体升至一定位置，离合转盘起作用，带动上刀体旋转到所选到位，当到位检测装置检测到刀体到位信号之后，电机停止200 ms 左右之后，电动机反转，上刀体下降，齿牙盘啮合，完成精确定位，并通过蜗轮蜗杆、锁紧螺母，使刀架锁紧[1]。该刀架可以选择使用自动换刀和手动换刀，通过在控制面板上设置旋钮选择换刀方式。PLC与电动刀架的连接如图3所示。

图3 PLC与电动刀架的连接图

图3中PLC向刀架发出旋转方向控制信号，控制刀架的正转和反转。电动刀架向PLC反馈4个刀位的位置信号，同时反馈刀具锁紧信号。本设计所选择的刀架为反逻辑，即当刀架处在1号到位时，1号刀位检测信号为“0”，2、3、4号刀位检测信号为“1”；当任意一把刀具锁紧时，刀具锁紧信号为“1”。电动刀架的轴向位置由设置在机床上的一个位置确认开关决定，每次开机时操作机床在轴向运行寻找该点，由于该点位置已经确定，当开关检测到信号时，即可确定滑台当前的准确位置。

2.3 伺服连接

系统中伺服系统采用位置控制方式，PLC向伺服驱动器发送脉冲加方向信号控制电机旋转速度、位移和方向。

3 软件系统设计

3.1 触摸屏组态

选用DOP-B10S411 触摸屏，该屏用于加工计数、报警记录、工件选择等的输入输出。同时，考虑到所加工工件可能会发生变化，相关参数会发生变化，需要重新调整，触摸屏是参数输入的较好选择。根据以上分析，工件选择画面组态见图4。

图4 工件选择画面组态图

以1号工件为例：在新工件加工之前，需要在1号工件的参数设置中设置好工件半径、工件长度等参数，然后在自动方式下选择1号工件，PLC系统按照加工1号工件的参数加工工件，同时在1号工件显示框中，显示1号工件加工的数量。如需清除计数数字，则在参数设置中复位。此时参数设置窗口设密码保护，需核对密码才能更改其中的参数。

3.2 电动刀架程序设计

电动刀架的换刀主要是控制刀架电机的正反转，反馈信号为刀位信号和刀具锁紧信号。换刀过程包括以下动作：1）有换刀指令时，刀架电机正转；2）检测到目标刀位信号，刀架电机停止正转；3）适当延时；4）电机反转；5）检测到锁紧信号，停止反转。以选择2号刀为例来说明电动刀架的换刀程序流程，如图5所示。

图5 电动刀架的程序设计流程图

3.3 PLC系统程序设计

本设计是基于三菱PLC，在程序运行之前，需要在触摸屏上设置工件参数，包括滑台在当前位置向工件方向的位移、确定加工内角时所使用的刀号、加工时的位移、加工外倒角所使用的刀号和加工时滑台需要行进的位移。参数设置好之后，在自动方式下，PLC调用参数控制系统运行，完成加工后自动回到原点。

系统运行过程中，位移参数是保证加工质量的关键。每次开机时需要确定滑台的位置，在适当位置安装零点位置开关，操作机床在轴向运行寻找该点。由于该点位置已经确定，当开关检测到信号时，读入位置信息即可确定滑台当前的准确位置。

伺服电机采用位置控制方式，位移主要是通过PLC向伺服驱动器发送脉冲和方向等信号，通过计算传动比，将滑台在工件轴向的滑动距离转换成伺服电机的旋转角度，通过控制PLC发送脉冲频率和脉冲数，控制伺服电机运行的速度和转动角度。FX3G系列PLC通过PLSY 指令控制高速脉冲的输出,其格式为[PLSY K50000 K1000 Y0]。该指令有2个操作数，K50000 代表从PLCY0 口输出的脉冲频率为50000Hz，K1000表示从Y0 口输出的脉冲数量为1000个[2-3]。通过以上2个参数可以设置电机的旋转速度和旋转角度，即控制滑台的滑动速度和位移量。以2号刀和3号刀为例编制程序流程图，如图6所示。

每种工件的加工需要2 把刀，将刀具安装调整好之后，通过电动刀架换刀可实现不同工序的加工。若后期需要增加更多不同工件的加工，只需要更换电动刀架，安装更多的刀即可[4]；软件上只需要重新编制换刀加工程序即可。

图6 PLC软件的控制流程图

4 结论

利用PLC控制技术，结合触摸屏、电动刀架和伺服电机，将传统的手动端面倒角机床改造成自动控制机床。操作者只需要选择工件，系统即可自动调取相关参数控制系统自动运行。该机床的改造提高了机床加工的质量稳定性，降低了加工的人力成本，也提高了生产效率。

[1]罗敏.FANUC 数控系统PMC 编程技术[M].北京：化学工业出版社，2013：182-188.

[2]李金城.三菱FX2NPLC功能指令应用详解[M].北京：电子工业出版社，2011.

[3]常可南.可编程序控制器原理、应用及通信基础[M].北京∶机械工业出版社，1997.

[4]高树礼.车端面倒角全自动车床[J].机床，1974（3）：39-42.