0 引言

　　目前市場上對細長棒料兩端倒角，大多數(shù)都是通過工人手動操作機床來實現(xiàn)的，送料、落料和裝夾等方面效率均不高。為此，受某企業(yè)委托，開發(fā)了一臺全自動的高效率高精度的倒角機。由于PLC具有可靠性高、抗干擾能力強、使用方便、編程簡單等優(yōu)點，在工業(yè)控制領域內得到廣泛的應用。因此，倒角機采用PLC為控制系統(tǒng)，實現(xiàn)送料、裝夾、倒角和落料的自動化和倒角的高效率與高精度。

1 工作原理

　　自動倒角機由左工作臺、右工作臺和送料機構等組成，如圖1所示。左、右工作臺都由步進電機、滾珠絲杠副、三相異步電機、刀架、夾緊氣缸、落料裝置以及三個接近開關等組成。刀架安裝在異步電機的前端，異步電機直接驅動刀架旋轉，步進電機通過滾珠絲杠副帶動刀架移動，從而實現(xiàn)倒角。刀具的進給速度和位移量由PLC程序中的相關指令來控制。為了保證倒角時的切削量，需要確定刀具工進時的起始點。在刀具的前端裝有一個光電開關，當?shù)毒咭苿拥焦ぜ浇鼤r，光電開光感應到工件，同時將此感應信號傳遞給PLC。這樣避免由于送料和夾緊定位誤差所導致的工件倒角不足或倒角過多的問題。

圖1倒角機結構示意圖

　　該系統(tǒng)的送料、裝夾和落料均是自動完成的。送料機構采用氣缸驅動，氣缸送料到達規(guī)定位置時，氣缸上的磁性開關將相應信號傳遞給PLC，作為“送料成功”信號。每個工作循環(huán)傳送一根棒料，工件送到位后兩端分別各有一個夾緊氣缸驅動V形塊進行夾緊，保證工件不旋轉。兩個夾緊氣缸的側面分別裝有一塊斜塊作為落料裝置，氣缸松開時工件沿著斜塊落下，完成自動落料。

　　工作臺上的接近開關分別為負極限開關、原點開關和正極限開關，極限開關用來限制普通電機的移動位置，以免電機超出安全位置；原點開關用來確定系統(tǒng)的坐標位置。

2 控制系統(tǒng)硬件設計

　　控制系統(tǒng)的硬件主要由PLC、觸摸屏和步進電機、三相異步電機等組成。由于步進電機具有結構簡單、運行可靠、控制方便、控制性能好等優(yōu)點舊引，能將脈沖信號變換為相應的直線位移，其位移量與脈沖數(shù)成正比，移動速度與脈沖頻率成正比。所以，用步進電機帶動刀架移動，不僅能實現(xiàn)精確定位，還能調節(jié)刀具移動速度。設定的進給脈沖數(shù)、頻率、方向經驅動控制電路到達步進電機后，轉化為刀架的位移量、前進速度和進給方向。

　　PLC的輸入點有刀具的原點和正、負極限位置信號，送料氣缸和夾緊氣缸的到位信號以及光電開關的輸入中斷等13個輸入信號；輸出點有步進電機的脈沖和方向控制點，繼電器控制刀具旋轉、送料和夾緊動作以及電源和指示燈等13個輸出信號。從I/O點數(shù)、性能要求、可靠性和成本等角度綜合考慮，最終選用了歐姆龍的CPlH-X40D。系統(tǒng)的控制原理如圖2所示。

　　控制系統(tǒng)以PLC為中心。觸摸屏與PLC進行雙向通信。通過觸摸屏可以設定粗細不同工件的直徑以及刀具前進、后退的速度，同時刀具移動的位移量在觸摸屏上顯示出來；PLC通過控制驅動器，使步進電機實現(xiàn)相應的運動。當電機在運行中出現(xiàn)故障時，會自動產生急停信號，切斷動力電源，保證設備的安全，同時在觸摸屏上跳出一個窗口，實時顯示故障原因；當設備在運行中遇到緊急情況需要停止時，也可用外部的急停按鈕來切斷動力電源。氣缸活塞的運動行程可通過外部傳感器來檢測，即氣缸送料或者夾緊到位時，磁性開關檢測到信號，PLC根據(jù)獲得的信號來驅動電機和氣缸做出相應的運動。

3 控制系統(tǒng)軟件設計

　　通過對整個工作流程以及PLC指令系統(tǒng)的分析，采用模塊化結構思想，將倒角機系統(tǒng)分為幾個模塊：手動操作、自動運行、參數(shù)設置和故障顯示。不同模塊間的切換可由觸摸屏上主界面的窗口來實現(xiàn)。功能模塊如圖3所示。

　　要對倒角機進行完善保護，必須考慮模塊間的邏輯互鎖，保證加工過程中無論模塊間如何切換，操作是否失誤，也不會導致工件及設備的損壞。通過觸摸屏上的選擇按鈕來選擇手動操作或者自動運行工作方式。

　　(1)“手動操作”模式供微調使用，分為左手動和右手動，由按鈕對每一操作進行單獨控制。如通過界面上的“前進”或“后退”按鈕微調左、右刀具的位置，并可隨時設定移動時的快動或慢動速度，同時將左、右刀具的移動量顯示出來，還可對送料和夾緊氣缸進行單獨操作。

　　(2)“自動運行”工作模式供自動工作使用。按下該模式的“啟動”按鈕時，系統(tǒng)便進入連續(xù)循環(huán)工作狀態(tài)，即設備周而復始地執(zhí)行動作，直到按下“返回”或者“停止”按鈕退出為止。退出該模式后，刀具和氣缸回到初始化狀態(tài)。自動運行模式下的動作順序如表1所示。

　　進入“自動運行”模式時，左、右刀具首先運行到起點位置，氣缸開始送料，當傳感器檢測到送料到位后，左、右氣缸分別夾緊，由PLS2指令來啟動刀具前進。刀具前進過程中，前方的光電開關感應到工件存在時立即執(zhí)行輸入中斷，啟動另一段PLS2指令。在此段PLS2指令中，刀具仍保持原來的快速前進速度，脈沖數(shù)對應刀具快進和后續(xù)工進的位移量。當?shù)毒呶灰七_到快進量S1時，通過比較指令，PLC開始執(zhí)行ACC指令，刀具改變速度，減速工進。在減速

　　工進的同時，送料氣缸退回到初始位置，以準備下一循環(huán)的送料。按照設定的工進量，工進結束后刀具自動后退一段位移量，同時夾緊氣缸松開完成自動落料，此時一個循環(huán)結束，后續(xù)循環(huán)繼續(xù)進行。工件的粗細不同和長短不等使工件在送料和裝夾時產生定位誤差，這些都會導致倒角量不足或者過多。針對此問題，在刀具前方安裝光電開關來檢測工件的位置，通過程序中的相關計算公式得出合理的進給量，從而獲得準確的工進量。不同直徑的工件參數(shù)的設定可通過觸摸屏來實現(xiàn)，這樣保證了程序的靈活性。光電開關位置如圖4所示。

　　L為刀具中心與光電開關之間的長度，可測出；根據(jù)倒角要求，刀具夾角α=60°；工進量S2和工件直徑D根據(jù)實際要求通過觸摸屏外部設定。刀具從起點位置開始前進，當移動到位置1時，光電開關感應到工件，此時刀具仍快速前進S1到位置2，此時刀具剛碰上工件，刀具減速工進；工進結束后，刀具退回到起點位置，退刀距離為S3。從圖4看出：

　　對于粗細不同的工件，只要改變D的值就可計算出正確的快進量S1。在實際工作中，存在光電開關檢測誤差以及快速進給到慢速工進速度切換過程中的位移誤差，為了避免實際位移量大于理論值所造成的撞刀現(xiàn)象S1。取得比理論值小2mm。

　　(3)“參數(shù)設置”功能模塊用來設定一些參數(shù)，為了防止數(shù)據(jù)的錯誤改動，只有輸入密碼后才能進入。該模塊可設定刀具夾角、工進量以及“自動運行”模式下的快進和工進速度。按下“確定”操作后，設定的參數(shù)才傳給PLC程序的相關地址中，否則PLC程序無法獲得重新設定的數(shù)據(jù)，這樣可防止程序地址中數(shù)據(jù)的混亂。

　　(4)在“產品選型”中，操作者輸入相關型號工件的直徑，以獲得相應的工作參數(shù)。同時，可選擇對工件進行“兩端倒角”、“左端倒角”或者“右端倒角”，以適應不同的倒角要求。

　　(5)在“故障報警”中，當驅動刀具移動的三相異步電機在移動的過程中超過安全位置，碰到正、負極限開關時，報警器發(fā)出警報，同時觸摸屏上跳出窗口顯示報警信息。

4 結束語

　　該系統(tǒng)通過PLC程序模塊化設計來實現(xiàn)倒角機系統(tǒng)的自動運行和手動操作，并借助觸摸屏來設定相關參數(shù)和顯示PLC中的實時數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)的可操作性。系統(tǒng)中使用接近開關作為限位開關，保證了安全可靠性。采用光電開關來檢測工件的起始位置，補償工件長度誤差和送料定位誤差，根據(jù)反饋的信號控制刀具前進的位移量，保證了準確的倒角量。目前，該自動倒角機已在相關企業(yè)正常運行。