基于PLC控制的飞轮壳复合加工组合机床的设计

【摘要】介绍一种能够三轴联动，工件一次装夹，就可三面同步加工，完成钻孔、倒角、锪面复合加工的组合机床。
　　【关键词】飞轮壳；复合加工；组合机床
　　飞轮壳是汽车上一个常见的部件，是安装于发动机与变速箱之间，外接曲轴箱、起动机、油底壳及内置飞轮总成，起到连接机体、防护和载体的作用。飞轮壳早期相关金加工主要由加工中心来完成，但加工中心通常只有一个动力头，只能进行对飞轮壳同时进行一道工序的加工，这样就适应不了市场对飞轮壳大批量、快节奏的加工要求。市场迫切需要一种能在一台机床上完成复数工序加工的复合组合机床，因为在保证工件加工精度及生产效率的前提下，一台复合组合机床就可以完成数台加工中心的生产任务。
　　复合组合机床最突出的优点是可以大大缩短工件的生产周期及机床的占地面积，近年来复合加工机床发展迅速，也是发展最活跃的技术之一。在这种市场背景下，通过市场和技术调研，充分了解了用户的需求、加工需件的特点，针对图1用户对飞轮壳的加工工序图，在吸收借鉴国内外同类产品技术经验的基础上，制定了飞轮壳加工复合组合机床总体技术方案。
　　1.飞轮壳加工复合组合机床具体技术方案
　　机床采用主机全防护、机、电、液集中布局的结构形式。主要由床身及两侧移动滑台、多轴箱加工动力头、立柱、立式多轴箱加工动力头、夹具、自动排屑、液压系统、复合刀具、防护、电控系统及电箱等部件组成。机床布局结构图如图2所示，飞轮壳加工示意图如图3所示。
　　2.飞轮壳加工复合组合机床结构分析
　　机床的基础件立柱、床身采用两块整体式布局设计方案，基础件刚度高、动力学稳定性好。
　　（1）机床底座及机床立柱采用米汉纳抗震铸铁，箱体式对称布置整体床身，经过人工时效处理充分消除内应力具有床身刚性好，热变形对精度的影响小。并且由于铸件的特性，机床具备良好的抗震性，自身的应力释放不会造成机床整体精度的变化。
　　（2）机床动力头采用的是多轴箱形式设计，此台数控复合加工机床的三个多轴动力头在配装复合刀具后可以对被加工零件同步进行多孔位的钻孔，倒角，锪面三道工序的加工。
　　（3）立柱固定在机床身后端，采用大尺寸的长宽高箱体结构，为立式多轴箱动力头Z向移动提供了高刚度、坚实的支承基础。
　　（4）床身及X双向移动采用一体化式设计，功能集中，结构紧凑，移动部件随动性好，精度较高的优点。
　　（5）机床的润滑采用集中自动润滑，安装于机床后侧，用于保证各润滑点供油合理、均匀、充分可靠；保证动运部件工作状态良好，精度稳定，寿命能够在保证正常的设计年限。
　　（6）液压系统中的液压站，分置于机床的后侧，不占操作人员的操控空间，方便操作人员在机床前侧的上下料工作。液压站用于提供三个移动滑台及夹具液压缸的压力油，保证滑台的移动平稳及夹具可靠的压力输出。
　　（7）冷却装置分布安置于床身底座后端，用于提供冷却液，使在加工过程中刀具得到良好的冷却保护，防止烧钻头的情况发生，保证机床加工的稳定可靠性。
　　（8）机床配置全封闭防护，提供了高安全的工作环境，大开度的工作门和宽大视窗，操作舒适性，维护方便，实现了最佳的人体工程学效果。
　　3.飞轮壳加工复合组合机床控制系统分析
　　目前，国内一般企业仍然拥有一定数量用继电器控制的组合机床。继电器控制方式以其结构简单、价格便宜等优点，在组合机床控制领域曾经占据着很重要的地位，但由于在继电器电路中，逻辑关系是由继电器触点的串、并联来实现的，所以存在着接触器触点磨损快、寿命短、可靠性差等缺点，而且在更换产品而改变动作循环时，需重新设计、安装、调试，因此继电器控制方式已经逐渐淡出了历史的主流。在本加工复合组合加工机床采用目前较先进的PLC控制系统进行控制，PLC具有结构简单、编程方便、性能优越、灵活通用、使用方便、可靠性高、抗干扰能力强等到一系列优点，在工业生产自动控制领域得到了广泛应用。
　　全自动飞轮壳三面钻孔专用机床是对飞轮壳三面进行钻孔精加工操作，此机床的自动化程度较高，加工精度高。因此本复合组合机床对电气控制要求也较严，具体要达到以下要求：
　　a.以PLC为控制中心，对飞轮壳三面钻孔专用机床上述动作要求实现全自动控制；
　　b.飞轮壳三面钻孔专用机床除上下工件外，其余各动作均可采用按钮操纵，面板上的按钮不仅要满足机床所有动作的单循环启动功能，而且还要能满足机床各动作的单动调整功能；
　　c.飞轮壳三面钻孔专用机床上述各动作具有互锁功能，即机床的上一个动作未执行到位，则机床的下一个动作不执行；
　　d.飞轮壳三面钻孔专用机床各动作回路具有短路、过载、过流等保护；
　　e.采用组态软件进行机床控制系统监控设计，实现机床加工路径的监控，报警，数据输入/输出等控制功能。
　　基于以上要求，针对该组合机床设计了一套由PLC、多台电动机等主要设备构成的全自动三面钻孔机床控制系统，具有全自动运行及手动控制等功能。用PLC模块、操作监控设备等组成电气控制系统最大的好处就是，可以实现编程输入、人机交互、自动化加工的控制方式。可以大大扩大机床的加工能力，减少故障，提高机床生产加工效率并具有良好的电气系统稳定可靠性。
　　PLC控制器选择三菱公司的FX2N系列，其功能强大，编程简单，具有丰富的扩展模块，是目前市场上性价比比较高的可编程控制器。以PLC控制器为控制核心根据机床实际状况设计了一套专用的的机床控制框架流程如下图4所示。
　　根据以上系统框架在辅以合适的主电路及I/O接线图设计，最后加上软件的设计使整个机床系统得以正常的运行。针对本组合机床的电气控制系统，还特别设计了一套监控软件，这样操作者可以在控制面板中的显示器中就可得知整个机床的运行现况，也就是现在较为流行的组态软件。
　　组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，是在自动控制系统监控一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式，提供良好的开发界面和简捷的使用方法，它解决了控制系统通用性问题。