槽口刷光机的电控系统设计*

魏 芳

(北京航空制造工程研究所，北京 100024)

槽口刷光机的电控系统设计*

魏 芳

(北京航空制造工程研究所，北京 100024)

槽口刷光机是用于机械传动系统转子部位外圆柱面槽口刷光去毛刺的自动化设备。该设备电控系统是以西门子PLC控制技术为核心，程序设计采用了顺序控制和分步控制组合结构，同时解决了进给工作台回零复位的难点。通过文本显示器TD400C完成操作人员与应用程序的交互和报警信息的显示。设备已经投入生产，运行结果表明：该电控系统满足了零件工艺要求，运行稳定可靠，工作效率高，对其它类专用设备的设计有一定参考价值。

电控系统;程序设计;工作台回零复位

0 引言

复合材料铺带机是航空制造领域关键基础装备，其自动铺放过程运动环节多，协调控制复杂，各方向运动轴的转子部位圆柱面必须具有较高的精度及光洁度，以提高铺带过程的精确控制并提高运动链的稳定性及抗疲劳性［1-2］。因此，如何提高运动轴各组成部件的加工质量和生产效率，就成为关系到铺带质量和效果的突出问题。

运动轴各组成部件在机加工过后，被加工面残留着大量微小毛刺，在装配之前必须清除这些毛刺，否则将严重影响运动轴的使用效果。如果采用传统的人工方式处理，不仅效率低成本高，而且工人的操作环境非常恶劣。所以，开发适用于大规模生产的自动刷光设备是目前发展方向之一。本机床就是为解决铺带机机械传动系统转子部位外圆柱面槽口去毛刺的问题而设计的。同样，这种设计思想也适用于其它类工件的刷光清理。

1 机床概述

槽口刷光机适用于去除两种不同规格转子外圆柱面的毛刺，通过更换芯轴还能够扩大使用范围加工更多规格的转子零件，并且一个加工周期可同时加工相同规格的五个转子。

按照功能结构划分，机床主要分为主机系统、除尘系统以及电控系统。其中，主机系统又由工件滑台总成、主动力总成、进给总成、床身及防护罩和照明系统等部分组成。机床主要构成如图1标示，图2为机床主要机械部件三维图。

机床采用气动驱动，加工动作顺序概括如下:

操作者将待加工零件摆放在工件滑台的芯轴上，踩下脚踏开关，零件芯轴夹紧。

①防护门闭。在加工零件过程中，防护门始终要保持关闭状态，直到加工结束。

②零件加工。待门闭开关发讯后，工件滑台在气缸的作用下左右移动，工件电机带动零件旋转(不变向);步进电机带动工作台进给(进给量由操作者在文本显示器设定)，刷子电机先正转(正转时间由操作者在文本显示器设定)，再反转(时间也在文本显示器设定);刷子电机停转后，工作台后退。

③防护门开。工作台后退至原点位置，防护门打开。操作者再次踩下脚踏开关，取下零件，放入零件周转箱中。

图1 机床布置图

图2 机床主要机械部件三维图

2 硬件设计

机床电控系统的核心部分系采用德国西门子公司的SIMATIC S7-200系列可编程控制器(PLC)。由于具有紧凑的设计，良好的扩展性，强大的指令系统，使得S7-200可以近乎完美地满足中、小规模的控制要求［3，11］。

2.1 PLC 输入部分

(1)操作面板—包括操作面板和辅操作盒的按钮(动作信号、工作部件选择)、选择开关(机床照明灯的通断、机床工作方式及动作选择)、急停旋钮;

(2)限讯—电机空开的异常发讯，进给工作台的左、右限位;

(3)检测开关—用于检测工件滑台气缸位置的磁性开关，防护门位置的行程开关，进给工作台零位的接近开关，气源压力检测开关;

2.2 滑台气缸位置输出部分

(1)步进正脉冲、反脉冲输出—为步进驱动器提供正向脉冲和反向脉冲信号输入，进而控制步进电机。

(2)中间继电器—用以控制三色灯＆蜂鸣器，气阀的通断，小电流电机(工件电机)的启停，接触器线圈的得失电(继而控制大电流电机—除尘、刷子电机)。

(3)指示灯—操作面板上的各种状态指示，原位及运行中部件指示。

(4)统计以上输入、输出的开关量，PLC系统的具体配置如下:

①CPU模块—CPU 226 CN(24输入/16输出数字量I/O点)1个;②扩展模块—EM 223 CN(8输入/8输出)3个;③总共45个直流输入点和37个晶体管输出点，见图3。

图3 电控系统框图

3 软件设计

机床操作分为手动、半自动、自动三种工作方式。将状态选择开关旋至“手动”位置时，即为手动操作方式。手动方式用于对各部件的独立动作进行操作、维修及调试;将开关旋至“半自动”，可进行半自动操作。半自动方式用于对工件单机、刷子单机的自动运行情况分别进行观测或调整;将开关旋至“自动”，进行自动操作。自动方式用于日常的加工生产。

3.1 控制程序总体结构

在程序设计中，采用了顺序控制和分步控制组合结构［4-5］。除手动程序外，各主要部件的控制程序分别编写。根据不同工作方式下，调用及结束条件的不同，来决定执行哪些部件及其流程。这样就使得程序结构清晰，编程方便。刷光机控制程序的总体结构如图4所示。

图4 电控程序框图

3.2 自动程序设计

当满足以下条件时，同时按下辅操作盒左、右“启动”按钮，即开始自动加工循环。

(1)“原位指示”灯亮:当进给工作台处于原点位置时，原位指示灯亮。如“原位指示”灯未亮，按下“复位”按钮，即执行复位程序，使进给工作台恢复原位，指示灯亮。

(2)夹具夹紧开关发讯:将安装有转子零件的芯轴放置于夹具，踩下脚踏开关，夹具夹紧开关发讯。

图4中所列自动程序流程大致如下:

(1)防护门程序:当加工条件满足，同时按下左、右“启动”按钮，防护门关闭;当进给工作台后退至原位，原位开关发讯，此时防护门打开。

(2)刷子程序:工作台步进电机按照文本显示器设定的进给量完成进给后，刷子电机先正转，2秒后再反转，正/反转时间由操作者在文本显示器上设定。

(3)工件滑台程序:门闭开关发讯后，工件电机带动工件旋转，工件滑台在气缸作用下左右移动;刷子电机反转结束后，工件电机停止旋转，工件滑台停止左右移动。

(4)进给工作台程序:门闭开关发讯后，工作台步进电机带动工作台进给，进给量通过文本显示器设定;刷子电机反转结束后，进给工作台后退至原位。

(5)除尘程序:在加工循环中，除尘电机始终工作。

加工结束后，防护门开开关发讯，标志着一个加工循环结束。再次按下辅操作盒左、右“启动”按钮，开始执行下一个循环。

3.3 进给工作台的回零复位

当加工条件不满足或加工过程出现异常，可按下“复位”按钮，执行复位程序，使各部件恢复初始状态。简要说明一下复位程序。不论机床工作于何种方式，按下“复位”按钮，执行下列流程:防护门打开;工件电机停转，工件滑台停止左右移动;刷子动力头停转;进给工作台回零。

其中进给工作台的回零复位是整个程序设计的难点。进给工作台的运动是由步进电机驱动实现，工作台运动量(包括进给量和后退量)由设定的正向脉冲信号(Q0.0)和反向脉冲信号(Q0.1)决定。本程序中，使用了S7-200脉冲输出指令(PLS)，它用于控制在高速输入(Q0.0和Q0.1)中提供“脉冲串输出”(PTO)。PTO提供方波(50%占空比)输出，配备周期和脉冲数用户控制功能。程序编写中，先设定PTO高速输出寄存器SMB67—Q0.0的控制脉冲位、SMW68—Q0.0脉冲周期时间值、SMD72—Q0.0脉冲计数值、SMB77—Q0.1的控制脉冲位、SMW78—Q0.1脉冲周期时间值、SMD82—Q0.0脉冲计数值，再执行脉冲输出指令(PLS)，从而实现对工作台步进电机的控制［6-8］。

为保证进给工作台每次回零的位置相同，编写程序时分两种情况考虑。情况1:如进给工作台处于原位与前限位之间，先后退，当原位开关(常开型)发讯，则停止后退，回零结束。情况2:如进给工作台处于原位与后限位之间(包括原位)，先后退，当后限位开关(常闭型)由亮转灭，进给工作台前进，前进至原位开关由亮转灭，停止前进，继而后退，当原位开关发讯，停止后退，回零结束。图5为进给工作台回零的示意图。

图5 工作台回零示意图

鉴于缺少工作台位置检测开关，只有通过程序判断工作台位置，确定回零的方式。回零的精度决定了自动加工中工作台进给后，刷子与零件的接触情况，对零件刷光的效果起着关键的作用。

4 文本显示器TD400C的使用

机床通过文本显示器TD400C完成操作者与应用程序的交互和报警信息的显示。TD400C是匹配S7-200CN最佳的中文文本显示屏。它具有显示文本信息、设定和修正过程参数、用户自定义按键等功能。此外，TD400C使用STEP7-Micro/WINV4.0.4+SP6 版本组态，无需单独 HMI组态软件［9，11］。

在TD400C文本显示器上共15个按键可供使用，本系统主要使用了12个按键，12个按键具体功能设定如下:

F1—显示主画面:主画面包括日期和时间显示，项目名称等;

F2—显示操作画面:操作画面包括自动加工刷子用时时间显示和加工节拍显示;

F3—显示参数画面:参数画面包括工作台自动加工进给距离(单位mm)的设定，刷子正转和反转时间的设定，参数可通过“enter”键及方向键(上、下)进行修改及设定;

F4—报警显示:当有故障报警信息时，默认显示的起始画面上会出现小的指示器，按下“F4”按键，可以切换到报警画面，画面可同时显示2条报警信息，按报警优先级由高到低显示;

F5—监控画面1显示:包括工件移动左限位、右限位，工作台前限位、后限位的状态监控;

F6—监控画面2显示:包括工作台原点信号、夹具夹紧信号、工件左移动气阀、工件右移动气阀的状态监控;

F7—PLC位设置:按下F7按键，操作画面中刷子用时显示为0，即F7按键实现刷子用时清零功能;

F8—PLC位设置:按下F8按键，清除报警信号，三色灯中红色指示灯灭;

Enter—主要用于选择菜单;

Escape—主要用于取消选择或退出菜单;

方向键(上、下)—用于在菜单中滚动。

5 安全保护

当机床运转过程中出现紧急情况时，可迅速按下操作面板或辅操作盒“急停”旋钮，切断24V控制电源，从而停止机床的全部动作。排除故障后，再旋起旋钮，并在手动状态下对各部件逐一复位(注意动作顺序)，或者，直接按下“复位”按钮，各部件会自动按照程序依次复位。

此外，在机床操作面板箱的顶部还设计有三色灯，显示当前机床运行状态。机床出现的故障报警(预警信号和报警信号)通过操作面板文本显示器显示，对应的故障原因及排除方法可参照帮助菜单。

6 结束语

这套用于机械传动系统转子槽口刷光机自动电控系统，经过现场两年的实际考验，运行稳定可靠。转子槽口被刷表面光洁、无毛刺，满足了零件的工艺要求。设备工作效率高，适用于去除多种不同规格转子的毛刺，并可同时加工相同规格的五个转子。其结构简单，性价比高，如在现有基础扩展其他功能，则在制造行业中会有更大的推广价值。

［1］林胜.自动铺带机/铺丝机—现代大型飞机制造的关键设备(上)［J］.世界制造技术与装备市场，2009(4):84－89.

［2］富宏亚，韩振宇.纤维缠绕/铺带/铺丝成型设备的发展状况［J］.航空制造技术，2009(22):43－46.

［3］张运刚.从入门到精通:西门子S7-200 PLC技术与应用［M］.北京:人民邮电出版社，2007.

［4］(德)JURGEN MULLER.西门子自动化系统实战:S7和PCS7应用实例［M］.北京:人民邮电出版社，2007.

［5］刘华波.西门子S7-200 PLC编程及应用案例精选［M］.北京:机械工业出版社，2009.

［6］谭维瑜.电机与电气控制［M］.北京:机械工业出版社，2010.

［7］李铁才.电机控制技术［M］.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2002.

［8］王鸿钰.步进电机控制技术入门［M］.上海:同济大学出版社，1990.

［9］李德刚，李栋森.PLC和文本显示器在拖式臂架泵车中的应用［J］.建筑机械，2009(17):93－94.

［10］王淑旺;顾立才.基于PLC和触摸屏的车身总装夹具控制系统设计［J］.组合机床与自动化加工技术，2012(1):74－76.

［11］耿良田.PLC的现状及发展趋势［J］.数字化工，2005(8):20－22.

(编辑 李秀敏)

Electric-Control System Design of Notch Brushing Machine

WEIFang
(Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute，Beijing 100024，China)

Notch brushingmachine is a kind of automatic equipment that is used to brush and burr for the outer cylinder notch of mechanical gearing rotor.The core of equipment electric-control system is Siemens PLC control technique.Program design adopts the combined structure of sequence control and stepping control，at the same time，the homing of feed worktable has been solved.The interaction between operators and applied program as well as show of alarm messages are completed through text display TD400C.This equipment has been put into production.The operation results show that electric-control system satisfies the needs of partmachining，running is stable and work efficiency is high.The design of this papermakes contributions to other special equipments.

Electric-Control System;PLC;program design;homing of worktable

TH16;TG65

A

1001－2265(2013)05－0087－04

2013－01－11;

2012－03－01

国家科技重大专项(2009ZX04004－101)

魏芳(1982—)，女，内蒙赤峰人，北京航空制造工程研究所工程师，硕士研究生，主要从事专用设备和数控机床电气设计工作，(E－mail)weifang82@163.com。