多工位机床概述 2

多工位机床是以通用部件为基础，配以按工件特定形状和加工工艺设计的专用部件和夹具，组成的半自动或自动专用机床。多工位机床一般采用多轴、多刀、多工序、多面或多工位同时加工的方式，生产效率比通用机床高几倍至几十倍。由于通用部件已经标准化和系列化，可根据需要灵活配置，能缩短设计和制造周期。因此，多工位机床兼有低成本和高效率的优点。

多工位机床的发展

最早的组合机床是1911年在美国制成的，用于加工汽车零件。初期，各机床制造厂都有各自的通用部件标准。为了提高不同制造厂的通用部件的互换性，便于用户使用和维修，1953年美国福特汽车公司和通用汽车公司与美国机床制造厂协商，确定了组合机床通用部件标准化的原则，即严格规定各部件间的联系尺寸，但对部件结构未作规定。

组合机床和组合机床自动线是一种专用高效自动化技术装备，目前，由于它仍是大批量机械产品实现高效、 高质量和经济性生产的关键装备，因而被广泛应用于汽车、拖拉机、内燃机和压缩机等许多工业生产领域。

主要任务与内容

本论文是以可编程序控制器为基础，对四工位机床自动控制系统进行自动化控制。主要任务是深入了解电气控制系统各方面的知识，熟练地掌握PLC控制技术各方面的理论知识及其应用，逐渐提高对电气控制系统进行设计的实际工作能力，懂得运用所学的理论知识与实际情况相结合。

本论文在具体分析基于可编程序控制器的四工位组合机床自动控制系统的基础上，对该控制系统的软件和硬件进行具体的研究和设计。同时，对可编程序控制器在工业应用中的一些问题也进行了一定的讨论。

通过采用可编程控制器对原有组合机床的技术改进，克服了原有组合机床在继电器控制系统方面的弊病，提高了机床的可靠性和控制精度，给系统维护和灵活改变控制程序带来很大方便，提高了生产率。

四工位机床控制系统概述

多工位机床是以通用部件为基础，配以按工件特定形状和加工工艺设计的专用部件和夹具，组成的半自动和全自动专用机床。多工位机床一般采用多轴、多刀、多工序、多面或多工位同时加工的方式，生产效率比通用机床高几倍至几十倍。四工位机床有四个加工工位。其十字轴示意图如2.1所示，它由四个加工工位组成，每个工位有一个工作滑台，并有一个加工动力头。除了四个加工工位外，还有夹具、上下料推杆和进料装置四个辅助装置以及冷却装置。同时为了系统的自动运行，利用两个传送带用来传送未加工的和已加工的零件

III工位

冷却系统

6

4 7

工工 位位

3 1

2 5

8

I工位

1——工作滑台； 2——主轴； 3——夹具； 4——上料推杆； 5——进料装置； 6——下料推杆； 7——传送带1； 8——传送带2。

II IV

控制系统的简要工作过程

四工位机床自动控制系统主要分为九个相对的控制部分：工作滑台、加工动力头、传送带1、传送带2、上料推杆、下料推杆、夹具、进料装置及冷却系统。

控制系统的具体控制过程框图如图2.2所示。

进料压力传感器 放料压力传感器 启动 传送带1、2 上料推杆 夹具夹紧 放料装置 光电开关 行程开关 夹紧压力传感器 工作滑台 行程开关 行程开关 I、III工位加工 下料推杆 II、IV工位加工 延时 图2.2 控制系统的具体控制过程框图

PLC工作原理

可编程序逻辑控制器（PLC）采用微处理器作为控制系统的核心，内含存储器、运算器、控制器，根据工业控制过程的特点，进行专门的电路设计，是一种通用的标准的工业控制计算机。PLC的输入、输出模块与主模块组装在一起，不需要另外的接口，可以直接与行程开关、传感器及驱动执行机构的电磁线圈等连接在一起，使控制系统比较简单。PLC根据类似于继电器控制系统的梯形图进行程序设计，简单明了。与继电器控制、微机控制相比较，PLC性能价格低，功率价格适中。PLC控制的原理方框图如图2.5所示。

传送带 上料推杆 进料装置 PLC 夹具 滑台 加工动力头 冷却 图2.5 PLC控制系统原理框图

表2.1列出了可编程控制器与继电器逻辑控制系统的比较，表2.2列出了可编程控制器与通用的微型计算机的比较。

表2.1 PLC与继电器逻辑控制系统的比较

比较项目 控制逻辑 控制速度 触点数量 工作方式 设计与施工 可靠性与可维护性 价格 继电器逻辑 体积大，接线复杂，修改困难 动作速度为几十毫秒，易触点抖动 4—8对，易磨损 并行工作 设计、施工、调试必须顺序进行 寿命短，可靠性与可维护性差 使用机械开关、继电器等，价格便宜

可编程控制器 体积小、接线少、控制灵活，易于扩展 每条指令执行时间在微秒级，无触点抖动 任意多个，永不磨损 串行循环扫描 系统设计后，施工与程序设计可同时进行， 寿命长有自诊断功能，可靠性高 ，易维护 使用大规模集成电路，初期投资高

表2.2 PLC与微型计算机的比较

比较项目 应用范围 程序设计 系统功能 工作方式 可靠性 体积与结构 可编程控制器 工业控制 一般为梯形图语言，易于学习和掌握 自诊断、监控等 循环扫描方式及中断方式 极高，抗干扰能力强，长期运行 结构紧凑，体积小，外壳坚固，密封 微型计算机 科学计算、数据处理、通信等 程序语言丰富，需专门的软件和硬件知识 配有较强的操作系统 中断方式 抗干扰能力差，不能长期运行 结构松散，体积大，密封性差， 通过上述控制器的比较，可知PLC是理想的四工位机床控制器，所以选用PLC控制四工位机床。

控制系统分析

控制系统分析

根据课题设计要求及四工位机床的自动控制系统的特点，对系统的控制分析如下：

1．用夹紧压力传感器来检测压力，用它来检测夹具的夹紧程度，当压力达到夹紧压力传感器中设定值时，夹具夹紧装置不再运动。夹具的夹紧与放松由双线圈两位电磁阀驱动气缸来实现的。

2．滑台共有四个，在滑台的前端则有四个加工动力头，滑台主要是用来载着四个动力头滑动，从而以便加工动力头加工零件，滑台运动由行程开关控制，其运动则由双线圈两位电磁阀驱动气缸来实现的。

3．在动力头对零件进行加工时，为了确保零件达到工艺要求，不应该四工位同时加工，那样由于压力过大并且会出现工位与工位之间加工动力头的碰面而造成破坏，但一个一个工位慢慢的加工则效率低下，所以在这当零件固定后，四个工

作滑台同时运动，但四工位并不同时加工，而是I、III工位先加工，延时一点时间后，II、IV工位再进行加工。在动力头的设计上，用电动机驱动加工头，在以往的设计上，一般会设计电动机正反转驱动电力头，在这则没必要，只要电动机正转就可以那，因为在这里并不是电动机正转向前加工，反转向前加工。而是由滑台载着电动机前进和后退。

4．在输送未加工的零件的过程中，为了不造成在前端的零件的堆积，在上料推杆抓取零件的部位，安装了一个光电开关，当那有一个零件时，通过光电开关感应到零件后，通过光电开关切断传输带1的运行，而当零件被上料机械手取走后，又通过光电开关启动输送带。而对与输送加工完毕的零件，因为不会造成零件的累积，只需直接将输送带连至装放加工完的零件的仓库就可以那，在此设计中将传送带2安装在下料推杆的正下方，这样由下料推杆送来的零件直接掉入到传送带2上。

5．在这有两个推杆部分，一个用来上料，一个用来下料。当光电开关导通时，上料推杆抓取输送带传来的零件、前进、到位后、松开放下零件，而后退回到原始起点。在零件加工完毕后，下料推杆开始取走零件，它的工作原理与上料推杆一样。在推杆的操作过程中，启动与后退由按钮控制，而前进、后退这些循环的工作则有行程开关控制。

6．在这个系统中，为了减少成本，采用了大量的电磁阀取代电动机，使的系统结构简洁实用，例如，滑台的正反运动、上料器正反运动均采用双线圈两位电磁阀来实现。

7．整个系统要求运行安全可靠，适应连续化生产的需要

PLC控制系统I/O点数的估算

由四工位机床自动控制系统的PLC自动控制结构框图以及信号传输图可得：电气控制系统要求3个压力传感器分别用来检测夹具的夹紧压力、进料装置的进料压力、进料装置的放料压力。1个光电开关用来检测传送带1上的零件的到来，还需要12个位置开关，这些位置开关分别用来控制四个滑台以及上、下料推杆的运动行程。输出则主要是控制滑台、加工动力头、进料装置、上下料推杆、冷却、夹具等装置，其中滑台的往返运动、上下料推杆的来回运动由双线圈两位电磁阀来实现、而加工动力头则由电动机带动。

可 编 程 序 控 制 器 检 测 夹紧压力进料压力放料压力行程开关行程开关行程开关行程开关行程开关行程开关光电开关 控 制 上料推杆夹具进料装置工作滑台加工动力头下料推杆冷却装置传输装置传输装置 前进 夹紧 进料 进 加工前进 冷却传送带1 传送带2 后退放松放料退后退

PLC控制系统程序的编制

由上述的PLC控制系统流程图可写出系统梯形图，系统梯形图见附录C。在PLC控制系统程序的编制过程中，用到了一些有意义的指令，如步进顺控指令，状态初始化指令等。

4.2.1 步进顺控指令的运用

1. 状态转移图

状态转移图也称功能图也称功能图。一个控制过程可以分为若干个阶段，这些阶段称为状态。状态与状态之间由转换分隔。相邻的状态具有不同的动作，当相邻两状态之间的转换条件得到满足时，就实现转换，即上面状态的动作结束而下一状态的动作开始，可用状态转移图描述控制系统的控制过程，状态转移图具有直观、简单的特点，是设计PLC顺序控制程序的一种有力工具。状态器软元件是构成状态转移图的基本元件。FX2N系列PLC有状态器1000点（S0~S999）。其中S0~S9共10个叫初始状态，是状态转移图的起始状态。 2. 步进顺控指令及其编程

步进指令有STL和RET两条。STL是步进开始指令，RET是步进结束指令，状态转移图与梯形图有严格的对应关系。每个状态器有三个功能，即驱动有关负载、指定转移目标和指定转移条件。 （1） 传送带1、2的控制程序的编制

当初始条件满足时，传送带1、2开始运动，而当传送带1上的光电开关有信号时，传送带1、2停止，其程序如下所示。

当按下启动按钮，程序由状态S2进入到状态S20，输出Y26、Y27，即传送

带1、2运动，当光电开关有信号时，即X17导通，进入到状态S21，同时状态S20复位，传送带1、2停止。 （2）上料推杆程序的编制

由系统的加工工艺要求知道，上料推杆在光电开关检测到零件到位，传送带1、2停止时开始前进，其行程由行程开关的终点限位开关控制。其程序编制如下

（3）夹具、进料程序的编制

夹具主要是当零件到来时，夹具开始夹紧，通过夹紧压力传感器来检测夹具是否夹紧，进料和夹具夹紧同时进行，不同的是它是通过放料压力传感器来检测是否还需要继续放料，其程序编制如下。

（4）工作滑台以及加工动力头程序的编制

工作滑台是载着加工动力头前进与后退的，它运动的行程由行程开关控制，它是在零件固定后开始运行的，它分为两部分，一部分是I、III工作滑台及其加工动力头，另一部分是II、IV工作滑台及其加工动力头，其中II、IV工位在I、III工位10秒后才动作。其中I工作滑台及加工动力头的程序编制如下。

（5）下料推杆程序的编制

下料推杆是在零件加工完后推走零件的，它运动的范围是由其行程开关控制的，在下料推杆工作的同时，四个加工动力头均停止，其程序编制如下。

4.2.2 状态初始化指令

状态初始化指令是对初始化状态进行说明及定义，当M8000继电器接通时，有关内部继电器及特殊继电器的状态自动设置了有关定义状态，其中[S]指定输入端运行模式，即X20~X27自动定义：

X20：手动操作； X21：回原点； X22：单步； X23：循环运行一次；X24：连续运行（自动）；X25：回原点启动； X26：自动运行启动；X27：停止。

4.3 PLC控制系统程序的调试

根据系统的特点与工艺要求编制好程序后，在实验室对本系统的程序作了以

下的调试：

1. 滑台与加工动力头部分：滑台的各个动作是有顺序性的，因此，在调试过程中，就把滑台各动作的行程开关改成了定时器，各个动作的输出改用指示灯来显示，并且对指示灯进行循环控制。加工动力头的动作同样有先后之分，在设计中采用了定时器来控制。为了很好的描述工作的层次性，在操作时清楚的明白上一个动作与下一个动作，可适当加长定时时间。

2. 传送系统部分：传送系统部分主要是实现电机的顺序控制与电机启动的顺序关系。2个指示灯分别代表两台电机，当按下启动按钮时，指示灯1先亮；同时

指示灯2亮，而后当传送带1上的光电开关导通时，传送带1停止，那么指示灯1停止，同时指示灯2也停止。因为在这次设计中，只强调传送带1的停止和运行受光电开关的控制，对于传送带2不做任何要求，在程序中将传送带1、传送带2放在一个状态中，它们同步。如果按下紧急停机按钮，则指示灯1、2同时熄灭。

3. 上、下料推杆部分：推杆的前进、后退可通过实验器材旋转盘来实现，前进与后退是两个反过程，旋转盘的正转和反转明显地表示出了这个现象。而其行程则由实验器材旋转盘上传感器来控制，选定旋转盘上的两个传感器点作为限位开关，当旋转盘转到选定的两个位点时，传感器感应到信号，旋转盘停止转动。 4. 零件检测程序的实现：光电开关的输入可改为按钮输入，人为地给予其信号，当按下按钮时，看对应传送带1的指示灯是否熄灭，在指示灯1熄灭的同时十分指示灯2也熄灭，若没有，则通过光电开关对传送带1上零件的检测以及传送带1、2的控制有故障。