前言

   組合機(jī)床是針對特定工件，進(jìn)行特定加工而設(shè)計(jì)的一種高效率自動(dòng)化專用加工設(shè)備，這類設(shè)備大多能多刀同時(shí)工作，并且具有自動(dòng)循環(huán)的功能。組合機(jī)床是隨著機(jī)械工業(yè)的不斷發(fā)展，由通用機(jī)床、專用機(jī)床發(fā)展起來的。通用機(jī)床一般用一把刀具進(jìn)行加工，自動(dòng)化程度低、輔助時(shí)間長、生產(chǎn)效率低，但通用機(jī)床能夠重新調(diào)整，以適應(yīng)加工對象的變化。專用機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)的多刀切削，自動(dòng)化程度較高，結(jié)構(gòu)較簡單，生產(chǎn)效率也較高。但是，專用機(jī)床的設(shè)計(jì)，制造周期長，造價(jià)高，工作可靠性也較差。專用機(jī)床是針對某工件的一定工序設(shè)計(jì)的，當(dāng)產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)，工件的結(jié)構(gòu)，尺寸稍有變化時(shí)，它就不能繼續(xù)使用。在綜合了通用機(jī)床、專用機(jī)床優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了組合機(jī)床。

   組合機(jī)床通常由標(biāo)準(zhǔn)通用部件和加工專用部件組合構(gòu)成，動(dòng)力部件采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)或采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，由電氣系統(tǒng)進(jìn)行工作自動(dòng)循環(huán)的控制，是典型的機(jī)電或機(jī)電液一體化的自動(dòng)加工設(shè)備。常見的組合機(jī)床，標(biāo)準(zhǔn)通用部件有動(dòng)力滑臺各種加工動(dòng)力頭以及回轉(zhuǎn)工作臺等，可用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，也可用液壓驅(qū)動(dòng)。各標(biāo)準(zhǔn)通用動(dòng)力部件組合構(gòu)成一臺組合機(jī)床時(shí)，該機(jī)床的控制電路可由各動(dòng)力部件的控制電路通過一定的連接電路組合構(gòu)成。

   多動(dòng)力部件構(gòu)成的組合機(jī)床，其控制通常有三方面的工作要求：第一方面是動(dòng)力部件的點(diǎn)動(dòng)和復(fù)位控制。第二方面是動(dòng)力部件的半自動(dòng)循環(huán)控制。第三方面是整批全自動(dòng)工作循環(huán)控制。本文所用組合機(jī)床為四工位組合機(jī)床，該機(jī)床由四個(gè)滑臺，各載一個(gè)加工動(dòng)力頭，組成四個(gè)加工工位，除了四個(gè)加工工位外，還有夾具，上下料機(jī)械手和進(jìn)料器，四個(gè)輔助裝置以及冷卻和液壓系統(tǒng)共14個(gè)部分。

1、液壓系統(tǒng)特性簡述

   隨著液壓技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域與范圍的不斷擴(kuò)大，系統(tǒng)柔性化與各種性能要求更高，采用傳統(tǒng)的以完成執(zhí)行機(jī)構(gòu)預(yù)定動(dòng)作循環(huán)和限于系統(tǒng)靜態(tài)性能的系統(tǒng)設(shè)計(jì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。因此，現(xiàn)代液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究人員對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究，了解和掌握液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)工作特性與參數(shù)變化，以提高系統(tǒng)的響應(yīng)特性、控制精度以及工作可靠性，是非常必要的。

   液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性是其在失去原來平衡狀態(tài)到達(dá)新的平衡狀態(tài)過程中所表現(xiàn)出來的特性，原因主要是由傳動(dòng)與控制系統(tǒng)的過程變化以及外界干擾引起的。在此過程中，系統(tǒng)各參變量隨時(shí)間變化性能的好壞，決定系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的優(yōu)劣。系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性主要表現(xiàn)為穩(wěn)定性（系統(tǒng)中壓力瞬間峰值與波動(dòng)情況）以及過渡過程品質(zhì)（執(zhí)行、控制機(jī)構(gòu)的響應(yīng)品質(zhì)和響應(yīng)速度）問題。

   液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的研究方法主要有傳遞函數(shù)分析法、模擬仿真法、實(shí)驗(yàn)研究法和數(shù)字仿真法等。數(shù)字仿真法是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)研究液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的一種方法。先是建立液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的數(shù)字模型——狀態(tài)方程，然后在計(jì)算機(jī)上求出系統(tǒng)中主要變量在動(dòng)態(tài)過程的時(shí)域解。該方法適用于線性與非線性系統(tǒng)，可以模擬出輸入函數(shù)作用下系統(tǒng)各參變量的變化情況，從而獲得對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程直接、全面的了解，使研究人員在設(shè)計(jì)階段就可預(yù)測液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，以便及時(shí)對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證與改進(jìn)，保證系統(tǒng)的工作性能和可靠性，具有精確、適應(yīng)性強(qiáng)、周期短以及費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。

2、系統(tǒng)原理及建模

2.1電液位置伺服系統(tǒng)建模

   建立電液伺服系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，需要根據(jù)連續(xù)性方程、牛頓定律等物理法則，分別對伺服閥、液壓缸等環(huán)節(jié)建立函數(shù)表達(dá)式，并聯(lián)立求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。具體地，需要建立伺服閥方程、伺服閥流量方程、連續(xù)性方程和力平衡方程。

2.1.1伺服閥方程

   伺服閥是具有復(fù)雜高階非線性特性的器件。在實(shí)際中，通常可以將伺服閥簡化等效為一階系統(tǒng)（低頻）或者二階系統(tǒng)（高頻）：

圖1系統(tǒng)simulink動(dòng)態(tài)仿真模型

3、硬件設(shè)計(jì)

3.1結(jié)構(gòu)選擇

   整體式PLC：整體式PLC的每一個(gè)點(diǎn)的平均價(jià)格比模塊式的便宜，且體積相對小，一般用于系統(tǒng)工藝過程較為固定，環(huán)境條件較好，維修量較小的小型控制系統(tǒng)中。

   模塊式PLC：模塊式PLC功能擴(kuò)展靈活方便。在點(diǎn)數(shù)上，輸入點(diǎn)數(shù)，輸出點(diǎn)數(shù)的比例，模塊的種類方面選擇余地大，且維修方便，一般用于較復(fù)雜的控制系統(tǒng)。

   對于組合機(jī)床，選用整體式PLC較好。

3.2I/O點(diǎn)選取原則

   PLC平均的I/O點(diǎn)價(jià)格比較高，因此應(yīng)該合理選用PLC的I/O點(diǎn)數(shù)量，在滿足控制要求的前提下力爭使用的I/O點(diǎn)最少，但必須留有一定余量。通常I/O點(diǎn)數(shù)是根據(jù)被控制對象的輸入輸出信號的實(shí)際需要，再加上10%-20%的余量來確定。

   由PLC組成的四工位組合機(jī)床控制系統(tǒng)有輸入信號42個(gè)，均為開關(guān)量。其中檢測元件17個(gè)，按鈕開關(guān)24個(gè)，選擇開關(guān)1個(gè)。

   電控制系統(tǒng)有輸出信號27個(gè)，其中電磁閥16個(gè)，六臺電動(dòng)機(jī)的接觸器和5個(gè)指示燈。根據(jù)I/O點(diǎn)數(shù)的選取原則考慮10%-20%的I/O點(diǎn)數(shù)余量輸入點(diǎn)數(shù)可選取46-50個(gè)輸出點(diǎn)數(shù)可選取29-33個(gè)。

   根據(jù)實(shí)際PLC機(jī)型點(diǎn)數(shù)，選用FX2N-64MR主機(jī)和一個(gè)16點(diǎn)的輸入擴(kuò)展模塊（FX-16EX）這樣共有輸入點(diǎn)（32+16）。輸出點(diǎn)就是主機(jī)的32。足夠可以滿足42個(gè)輸入，27個(gè)輸出的要求，而且留有一定余量。

3.3輸入輸出設(shè)計(jì)

   輸入輸出信號地址表是將輸入輸出列成表，給出相應(yīng)的地址和名稱，以備軟件編程和系統(tǒng)調(diào)試時(shí)使用的一種表。由本設(shè)計(jì)可知控制電路中的按鈕，行程開關(guān)，檢測元件等觸點(diǎn)都屬于PLC的輸入設(shè)備，PLC的輸出控制對象主要是控制電路中的

   執(zhí)行元件，本設(shè)計(jì)主要是接觸器，電磁閥，指示燈。其中：行程開關(guān)12個(gè)；按鈕24個(gè)；選擇開關(guān)1個(gè)；檢測元件5個(gè)；電磁閥16個(gè)；接觸器6個(gè)；指示燈5個(gè)。

   根據(jù)本設(shè)計(jì)選用的PLC機(jī)型，將輸入輸出元件分配到PLC的輸入輸出接口。

4、PLC控制系統(tǒng)操作面板設(shè)計(jì)

   控制系統(tǒng)的操作面板是向PLC控制系統(tǒng)發(fā)布控制命令的主令元件組合而成的。本設(shè)計(jì)中，輸入元件共42個(gè)其中按鈕SB24個(gè)、檢測元件YJ5個(gè)、行程開關(guān)SQ12個(gè)，選擇開關(guān)1個(gè)，基于對機(jī)床工作方式的控制要求，面板上應(yīng)設(shè)有選擇開關(guān)1SA、預(yù)停按鈕；鑒于手動(dòng)調(diào)整方式下，相應(yīng)按鈕發(fā)出控制命令，驅(qū)動(dòng)組合機(jī)床相應(yīng)部件運(yùn)動(dòng)，因此面板上應(yīng)設(shè)相應(yīng)按鈕5SB-24SB，鑒于對組合機(jī)床的啟動(dòng)，停止及潤滑故障的處理控制，應(yīng)在操作制面板上設(shè)有啟動(dòng)按鈕2SB、總停按鈕1SB、潤滑故障切除按鈕4SB、其他輸入元件均為檢測元件，不在操作面板中設(shè)置，由上面綜述，可得控制系統(tǒng)操作面板如下圖2所示：

圖2控制系統(tǒng)操作面板圖

5、結(jié)論

    PLC作為新一代的工業(yè)控制裝置，具有開發(fā)柔性好，接線簡單，安裝方便，抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，用它來控制四工位組合機(jī)床這樣復(fù)雜的生產(chǎn)設(shè)備，是理想的選擇。PLC的采用,降低了機(jī)床的故障率,節(jié)省了大量的維修費(fèi)用,提高了整機(jī)的可靠性，保證了工件的精度要求。在機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占有重要的地位，該機(jī)床經(jīng)過長期運(yùn)行表明，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，控制精度高，運(yùn)行可靠，提高了生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，減小了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。