基于PLC控制的教学型回转式多工位加工工作台的设计

2013年11月 第41卷第22期 机床与液压 MACHINE T00L HYDRAULICS NOV 2013 Vo1 4l No 22 DOI 10 3969 j issn 1001 3881 2013 22 009 基于PLC控制的教学型回转式多工位加工工作台的设计 杨辉 侯荣国 矫玉菲 姜鹏鹏 梁丽芬 房晓 山东理工大学机械工程学院精密与特种加工省级重点实验室 山东淄博255049 摘要 设计一套教学型回转式多工位加工系统 为机械类本科学生提供机械传动类 机械制造工艺类 机械制造装备 类 PLC控制技术类 传感器技术类等相关实验实训项目 以解决目前相关课程实验条件不足的难题 它主要由多工位回 转工作台 工作台控制装置 自动夹紧加工机构 粗 精铣床工位 钻床工位等部分组成 可以实现工作台旋转 X Y向工 件进给运动 钻 铣床z向进给及主轴旋转及工件自动夹紧等功能 其控制系统以工业用PLC为控制核心 通过PLC编程 控制步进电机动作实现工作台旋转 X Y向和粗 精加工铣床 钻床z向的运动 同时利用电磁阀控制气缸对工件的夹紧 动作 以保证加工过程顺利进行 由于采用了加工工序集中的方式 回转式多工位工作台解决了目前加工过程中重复定 位 装卸频繁 劳动强度大等缺点 实现了高精度 高效率 低成本等加工目标 关键词 教学型 回转式 多工位加工系统 中图分类号 TP23 文献标识码 B 文章编号 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 近年来随着机械制造技术 PLC控制技术 传感 器技术等高端技术在自动化加工领域的快速发展 以 及新型加工装置的不断涌现 越来越多的高校为机械 类本科学生提供了机械传动类 机械制造工艺类 机 械制造装备类 PLC控制技术类 传感器技术类等相 关实验实训项目 虽然各高校都有用于教学的实验设 备 但基本上都采取直线式单工位加工 存在重复定 位 装卸频繁 劳动强度大 加工精度低等缺点 学 生很难得到相关课程知识的锻炼 实践意义不大 为了使学生的实践操作能力满足现代自动化加工 现场的需求 并使他们能够很快地投入到实际工作 中 必须具有专业课程实验知识和高水平的实验设 备 因此 作者设计了一种结构简单 成本便宜 而 容易达到经济 精度要求的教学型回转工作台 该工 作台采取多工位圆盘回转式加工 实现了精确的自动 分度 扩大了数控机床加工范围 集粗铣 精铣 钻 加工于一身的加工工作台 占地小且易管理 光栅 尺 编码盘控制精确加工 提高了加工精度 各个工 位都具有待用夹具装置 提高了工作效率 该工作台 不但结构简单 而且易于维修 各个部件均可独立工 作 维修时只需更换出问题的零件 无需费力将工作 台解体 应用领域较为广泛 实验过程中 可根据需 要由学生自己编程 也可引导学生通过改变程序来改 变生产过程 实现不同的模拟生产 从而更好地培养 收稿日期 2012一l0 22 作者简介 杨辉 1990一 男 在读本科生 专业方向为机械设计制造及其自动化 E mail 451203794 qq com 通信 作者 侯荣国 E mail hourongguo212 163 com 第22期 杨辉等 基于PLC控制的教学型回转式多工位加工工作台的设计 25 学生的创新意识和实践能力 1 教学型回转式多工位加工工作台工作原理 回转式多工位加工工作台由交流伺服电动机驱 动 经齿轮减速后由蜗轮蜗杆机构带动工作台旋转 回转工作台的导轨面由大型滚动轴承支承 必须采用 高精度圆柱齿轮 因此它的进给 分度转位都是由光 栅尺反馈进行控制的 3个工作工位可以实现同时加 工 效率高 沿工作台圆周方向均匀分布6个自动夹 紧加工机构进行夹紧 物料搬运装置将工件运抵工作 台后 自动夹紧加工机构通过气压装置电磁阀的动作 控制气缸拉杆伸缩 实现工件的夹紧 工作台面通过 底部交流伺服电动机和齿轮减速机构驱动旋转 按数 控指令确定回转方向 回转速度及回转角度大小等参 数 同时自动夹紧加工机构上 y向的步进电机通 过丝杠传动 实现工件 l 向的定位 使工件运动 到待加工工位 钻 铣床加工位置 多工位工作台 有3个待用工位 各工位功能不同 实现粗铣 精 铣 钻加工一体化 加工工件精确定位后 钻床 铣 床会对工件分别进行加工 首先由钻床对工件进行钻 孔 完成工件的钻孑L加工 再由铣床对工件进行分层 铣削加工 完成粗铣 精铣 铣槽等加工 加工完成 后由多工位工作台通过 l 向步进电机联动将工件自 动送到预定的出件工位 待用夹紧机构及时就位加工 实现高效加工 工作原理及总体结构如图I所示 图I 回转式多工位加工工作台工作原理图 2 回转式多工位加工工作台机械部分的设计 2 I铣床结构的设计 铣床由进给交流电机 光栅尺 直线导轨 滚珠 丝杠 切削交流电机 刀具钻夹头组成 铣床主要是 对货箱的表面进行铣削加工 其铣削的深度由光栅尺 进行精确控制 2 2钻床结构的设计 钻床由进给步进电机 直线导轨 滚珠丝杠 切 削交流电机 刀具钻夹头组成 钻床主要是对货箱中 的孔进行钻削加工 其钻削深度由步进电机进行控制 回转式多工位加工工作台总体结构如图2所示 钻 铣床具体结构如图3所示 1一钻床加工单元2一铣床粗加工单元卜铣床精加工单元 4一回转工作台 5 自动夹紧加工机构 图2 回转式多工位加工工作台总体结构图 1一进给交流电机2一直线导轨3一滚珠丝杠 4一切削交流电机5一刀具钻夹头 图3钻 铣单元结构设计 2 3 多工位工作台及自动夹紧加工机构的结构设计 多工位工作台及自动夹紧加工机构由旋转工作 台 货箱夹紧机构 转盘心轴 马氏机构 交流电机 组成 多工位工作台及自动夹紧加工机构主要是利用 马氏机构的间歇运动实现齿轮箱的装配 提高效率 其中 自动夹紧加工机构由步进电机 丝杠 移动滑 台 光杠导轨 气压缸组成 加工时 采用气压缸作 为工作台的夹紧装置 步进电机在数控程序的控制下 实现自动夹紧机构 轴 y轴的定位运动 回转式多工位加工工作台主要参数如表I所示 表I 回转式多工位加工工作台主要参数 工作台转角 钻铣床行程 mm 自动夹紧加工机构行程 y轴 mm 夹紧装置行程 mm 360 400 200 25 26 机床与液压 第41卷 3教学型回转式多工位加工工作台的控制部分设计 3 1 控制系统的总体设计 控制系统主要以工业用PLC为控制核心 通过 PLC编程控制伺服电机 电磁阀和步进电机的动作 以实现工作台旋转 X Y向和粗 精加工铣床 钻床 z向的运动 气缸对工件的夹紧等一系列功能 保证 加工过程顺利进行 首先操作人员通过人机界面发出 指令 工作台PLC控制器接到数控系统的指令后 松开圆周运动部分的蜗轮夹紧装置 松开蜗轮 然后 启动交流伺服电机 按数控指令确定工作台的回转方 向 回转速度及回转角度大小等参数 与此同时 物 料搬运装置将工件运抵工作台 自动夹紧机构的电磁 阀通电 工件被夹紧 钻 铣床在数控指令的控制下 对工件进行钻孔 铣削加工 加工控制流程如图4所 示 r 发出指令 控制器接收数控指令 工作台回转运动 到达指定位置 一 钻床加工 二二 铣床粗加工 一 生 铣床精加工 J 一 步进电机联动 t 工件出位 电磁阀 步进电机动作 夹紧工件 I 堕墨 J 图4加工控制流程图 3 2教学型回转式多工位加工工作台中回转工作 台及自动夹紧加工机构的控制原理 回转工作台由交流伺服电机 传动装置和工作台 组成 其中传动装置由齿轮传动和蜗杆传动组成 在 伺服电机和工作台之间传递运动和动力 并可实现分 度运动 当回转式多工位加工工作台接到数控系统的 指令 首先松开圆周运动部分的蜗轮夹紧装置 松开 蜗轮 然后启动交流伺服电机 按数控指令确定工作 台的回转方向 回转速度及回转角度大小等参数 然 后物料搬运装置将工件运抵工作台 自动夹紧加工机 构对工件进行夹紧 夹紧动作通过气缸驱动来实现 采用气动控制方式 以静音空气压缩机为气源 利用 PLC控制器控制电磁阀的通断以实现工件的固定 同 时 自动夹紧加工机构上 l 向的步进电机在PLC 的控制下 实现工件 l 轴向的精确定位 完成工 件的最后定位 3 3教学型回转式多工位加工工作台中钻 铣床 的控制原理 工件精确定位后 工作台上的钻床 铣床会对工 件分别进行加工 首先由钻床对工件进行钻孔 钻头 的上下运动通过进给交流电机驱动丝杠传动实现 钻 头的旋转由切削交流电机驱动 再由铣床对工件进行 分层铣削加工 进给交流电机驱动丝杠沿直线导轨运 动实现铣刀的上下运动 光栅尺精确控制铣刀的进给 加工 切削交流电机通过控制铣刀的转向和切削速度 实现工件的铣削加工 加工完成后由多工位工作台通 过 y向步进电机联动将工件自动送到预定的出件 工位 进入下一个单元 4结论 教学型回转式多工位加工工作台以PLC为控制 核心 采用多工位 圆盘回转式加工 扩大了数控机 床加工范围 提高了加工精度 该工作台不但结构简 单 而且易于维修 各个部件均可独立工作 维修时 只需更换出问题的零件 无需费力将工作台解体 回 转式多工位加工工作台作为加工中心 复合机床等装 备的核心部件之一 对实践教学环节意义重大 解决 了教学资源少 学生实践操作经验不足等问题 同时 提高了教师的自主探究和深度研发能力 随着新技术 的不断发展 应用领域必将非常广泛 参考文献 1 龚景安 许立忠 机械设计 M 2版 北京 机械工业出 版社 1998 2 机床设计手册 编写组 机床设计手册 M 北京 机 械工业出版社 1986 3 机械设计手册 编委会 机械设计手册 第2 3 5卷 M 北京 机械工业出版社 2004 4 于金水 基于PLC控制的回转型工业自动化生产线教 学设备 J 芜湖职业技术学院学报 2008 10 3 84 86 5 吕强 UCP710五轴机床中的坐标变换 J CAD CAM 与制造业信息化 2003 4 91 92 98 6 廉元国 张永洪 加工中心设计与应用 M 北京 机械 工业出版社 1995 7 张曙 Heisel U 并联运动机床 M 北京 机械工业出版 社 2003 8 卞洪元 基于PLC控制的工业自动化教学设备 J 机 械工程师 2005 9 33 34 9 周济 周艳红 数控加工技术 M 北京 国防工业出版 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