一种基于plc控制的工件钳工划线三维数控设备的制造方法
一种基于plc控制的工件钳工划线三维数控设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于机械设备技术领域，特别是涉及一种基于PLC控制的工件钳工划线三维数控设备，适用于在毛坯工件上进行定点划线，代替传统钳工划线。
【背景技术】
[0002]在零件加工生产过程中，需要对工件进行钳工划线，来确定其加工位置及加工轮廓等。传统的人工钳工划线采用游标卡尺、圆规、钳工划线盘、钢直尺等工具进行划线。此工序复杂且不能保证较高的精度，同时当零件尺寸较大、外形复杂，需对多个面进行划线时，划线精度低、效率不高、劳动强度较大。同时随着生产制造业的发展，所需零部件的增加，人工划线效率已不能满足生产的需求，因此对划线效率提出了更高的要求。现如今我国数控技术已得到了长足的发展，CNC(computer numeric control)型控制系统变得日益普及，设计数控型三坐标划线机取代人工划线将有助于提高生产效率，提高产品质量，代替传统的手工划线与测量作业，只需一次或两次装卡便可完成对工件的划线。
【发明内容】
[0003]针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于PLC控制的工件钳工划线三维数控设备。它是将数控技术引入到传统制造业中的划线步骤中，结构简单紧凑、易操作、成本较低、精度较高的数控设备，其功能无需输入工件CAD图纸及数控代码，只需输入待划线点坐标位置，三坐标划线机可自动完成定点、划线等工序操作。
[0004]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:
[0005]本发明一种基于PLC控制的工件钳工划线三维数控设备，包括机体、回转工作台、Z轴传动进给装置、划线装置、X轴传动装置、Y轴传动装置及PLC控制器，所述机体包括机体底座、导轨底座、横梁及横梁支柱，导轨底座置于机体底座两侧，X轴传动装置沿机体一侧导轨底座设置，横梁支柱通过X轴导轨置于机体底座两侧的导轨底座上，横梁置于横梁支柱上，横梁支柱带动横梁沿机体底座上的X轴导轨滑动，Y轴传动装置设置于横梁支柱上两横梁之间，Z轴传动进给装置安装于横梁上，与Y轴传动装置连接，划线装置安装于Z轴传动进给装置端，回转工作台置于机体底座上，所述PLC控制器分别连接X轴传动装置、Y轴传动装置、Z轴传动进给装置、回转工作台、划线装置，工作时，回转工作台上设置待划线零件，PLC控制器控制划线装置对应回转工作台上的零件划线。
[0006]进一步地，所述Z轴传动进给装置包括Z轴步进电机、Z轴导轨、Z轴丝杠、丝杠螺母、工作台、Z轴底座、Z轴导轨滑块、轴承及轴承支架，所述Z轴导轨两侧设置轴承支架，Z轴丝杠平行于Z轴导轨，通过滚动轴承安装于轴承支架上，与Z轴丝杠配合传动的丝杠螺母固定在工作台上，工作台两侧通过Z轴导轨滑块与Z轴导轨连接，Z轴丝杠一端连接在Z轴步进电机的输出轴上，通过Z轴丝杠带动工作台沿Z轴导轨滑动。
[0007]进一步地，所述划线装置包括划线头夹具、划线头、电机和旋转轴，划线头安装在划线头夹具一端，划线夹具另一端通过电机连接在Z轴传动进给装置的工作台的旋转轴上，电机的开关信号与PLC相连接，通过触摸屏控制实现划线头的开关。
[0008]进一步地，所述X轴传动装置包括X轴步进电机、X轴丝杠、丝杠螺母、X轴导轨及X轴导轨滑块，所述X轴步进电机输出轴端连接X轴丝杠，与X轴丝杠配合的丝杠螺母连接在X轴导轨滑块上，X轴导轨安装在机体两侧的导轨底座上。
[0009]进一步地，所述Y轴传动装置包括Y轴步进电机、Y轴丝杠、丝杠螺母、Y轴导轨及Y轴导轨滑块，所述Y轴步进电机输出轴端连接Y轴丝杠，与Y轴丝杠配合的丝杠螺母连接在Y轴导轨滑块上，Y轴导轨安装在两横梁上。
[0010]进一步地，所述X、Y、Z三轴的顶端和末尾处，其中限位开关分别位于X、Y、Z三轴的顶端和末尾处，编码器位于步进电机尾端，与步进电机同轴相连。指示灯、限位开关、编码器作为信号指示和反馈通路分别连接到PLC的输出端口和输入端口。
[0011]进一步地，还包括作为上位机的触摸屏，所述的触摸屏通过串行通信电缆与可编程控制器PLC相连，触摸屏的控制信号连接到PLC的输入端口，PLC输出三组脉冲信号分别连接到X轴步进电机、Υ轴步进电机和Ζ轴步进电机的驱动器。
[0012]进一步地，所述PLC控制器的控制流程，包括如下步骤:
[0013]第一步:接通电源，通电复位对刀，三坐标轴移动到机床坐标原点，，系统初始化；检测划线头是否移动到位，直到划线头到位后，开始等待；
[0014]第二步:判断采用自动控制或手动控制；如采用自动控制，则进行第三步；如采用手动控制，则直接手动控制划线头在零件上划线，然后进入到判断是否完成划线的步骤；
[0015]第三步:驱动X轴、Υ轴传动装置快进到设定坐标点；
[0016]第四步:检测X轴、Υ轴传动装置是否到位？如X轴、Υ轴传动装置不到位，坐标有误差，则进行人工点动位置调整，如到位，则启动划线头；
[0017]第五步:控制Ζ轴进给传动装置向下运动，检测Ζ轴进给传动装置是否到位?如Ζ轴进给传动装置不到位，未达到待划线工件表面，进行点动进给划线；如第一点位划线完成，贝1JZ轴划线头抬起复位;然后直接进入到判断是否完成划线的步骤；
[0018]第五步:判断是否完成划线？如已完成，无其它坐标，则结束;如未完成，在同一平面还有其它待划线点位，则重复第三步到第五步重新划线；
[0019]第六步:判断是否对侧面进行划线？如需要，则驱动回转工作台旋转，人工旋转划线头90度自锁；
[0020]第七步:驱动Υ轴、Ζ轴传动装置快进到设定坐标点，划线头启动；
[0021 ]第八步:驱动X轴传动装置运动，实现X轴进给，划线完成后，Χ轴复位，划线结束。
[0022]本发明具有以下有益效果及优点:
[0023]1.本发明的三坐标划线机划线精度较高，达到0.01mm。
[0024]2.本发明经济、实用，采用成熟技术，可用于工业加工现场等恶劣环境。
[0025]3.本发明应用可编程控制器PLC实现数控设备的控制，体积小、抗干扰能力强、功能扩展方便。
[0026]4.本发明可对划线头坐标位置进行反馈，直观反映出坐标位置与划线头位置间的误差，可对其进行点动微调。
【附图说明】
[0027]图1是本发明的结构示意图。
[0028]图2是图1的俯视图。
[0029 ]图3是图1中进给机构结构图。
[0030]图4是图1中划线头结构图。
[0031]图5是本发明的控制系统结构框图。
[0032]图6是本发明的电气控制电路图。
[0033]图7是本发明的控制系统程序流程图。
[0034]图中:1-机体底座，2-导轨底座，3-X轴丝杠，4-X轴步进电机，5_Y轴步进电机，6_Ζ轴步进电机，7-Ζ轴丝杠，8-Υ轴丝杠，9-横梁，10-Χ轴导轨，11-横梁支柱，12-划线头夹具，13-划线头，14-回转工作台；15-Ζ轴导轨，16-工作台，17-直线导轨，18-丝杠螺母，19-轴承支架，20-滑块，21-Ζ轴底座，22-滚动轴承，23-电机，24-旋转轴。
[0035]SB1-总启动开关，SB2-M1正转启动按钮，SB3-M1反转启动按钮，SB4-M2正转启动按钮，SB5-M2反转启动按钮，SB6-M3正转启动按钮，SB7-M3反转启动按钮，SB8-划线头启动按钮，SB9-总停止开关，SQ1-回转工作台旋转按钮，SQ2-X轴限位开关，SQ3-Y轴限位开关，SQ4-Ζ轴限位开关，FR-热继电器，SQ-点动开关，ΚΜ1-Μ1正转接触器，ΚΜ2-Μ2正转接触器，ΚΜ3-Μ3正转接触器，ΚΜ4-Μ1反转接触器，ΚΜ5-Μ2反转接触器，ΚΜ6-Μ3反转接触器，ΚΜ7-划线头转动接触器，ΚΜ8-工作台旋转接触器，HL-指示灯。
【具体实施方式】
[0036]下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步阐述。
[0037]实施例:如图1、图2所示，本发明基于PLC控制的工件钳工划线三维数控设备，包括机体、回转工作14、Ζ轴传动进给装置、划线装置、X轴传动装置、Υ轴传动装置及PLC控制器，所述机体包括机体底座1、导轨底座2、横梁9及横梁支柱11，导轨底座2置于机体底座1两侧，X轴传动装置沿机体一侧导轨底座2设置，横梁支柱11通过X轴导轨置于机体底座1两侧的导轨底座2上，横梁9置于横梁支柱11上，横梁支柱11带动横梁9沿机体底座1上的X轴导轨滑动，Υ轴传动装置设置于横梁支柱11上两横梁9之间，Ζ轴传动进给装置安装于横梁9上，与Υ轴传动装置连接，划线装置安装于Ζ轴传动进给装置端，回转工作台14置于机体底座1上，所述PLC控制器分别连接X轴传动装置、Υ轴传动装置、Ζ轴传动进给装置、回转工作台14，工作时，回转工作台14上设置待划线零件，PLC控制器控制划线装置对应回转工作台14上的零件划线。
[0038]如图3所示为Ζ轴进给机构，所述Ζ轴传动进给装置包括Ζ轴步进电机6、Ζ轴导轨15、Ζ轴丝杠7、丝杠螺母18、工作台16、Ζ轴底座21、Ζ轴导轨滑块20 、轴承22及轴承支架19，所述Ζ轴导轨15两侧设置轴承支架19，Ζ轴丝杠7平行于Ζ轴导轨15，通过滚动轴承22安装于轴承支架19上，与Ζ轴丝杠7配合传动的丝杠螺母18固定在工作台16上，工作台16两侧通过Ζ轴导轨滑块20与Ζ轴导轨15连接，Ζ轴丝杠7—端连接在Ζ轴步进电机6的输出轴上，通过Ζ轴丝杠7带动工作台16沿Ζ轴导轨15滑动。
[0039]如图4所示为划线头装置。所述划线装置包括划线头夹具12、划线头13、电机23和旋转轴24，划线头13安装在划线头夹具12—端，划线夹具12另一端通过电机23连接在Ζ轴传动进给装置的工作台16的旋转轴上，电机23的开关信号与PLC相连接，可通过触摸屏控制实现划线头13的开关。划线头13随X、Y轴做平面运动，当划线头13移动到设定点位坐标时，X、Y坐标轴停止运动，同时划线头14转动、Ζ轴向下运动，从而实现划线头13进给划线。即:划线头13处在工位I时用来完成ΧΟΥ平面上的划线点任务，人工将划线头13绕其旋转轴24旋转90°自锁，用来完成ΥΟΖ等平面点位划线，从而实现一次装夹完成多个平面划线。
[0040]划线头13装置的结构特点主要有:
[0041](1)划线头13旋转中心线可以与主轴旋转中心线成90度对待划线工件进行划线。
[0042](2)使用划线头13，无需改变划线机结构就可以增大其划线范围和适应性，使一些用传统方法难以完成的复杂工件得以实现，并能减少工件重复装夹，提高加工精度和效率。
[0043](3)因划线头13扩充了划线机的使用性能，相当于给划线机又增加了一根轴，可由PLC控制划线头13自动90度旋转，在大型工件固定困难、不易翻转或是精密工件一次性固定需加工多个面时，比传统划线方式实用、效率更高。
[0044]如图1、图2所示，所述X轴传动装置包括X轴步进电机4、Χ轴丝杠3、Χ轴丝杠螺母、X轴导轨10及X轴导轨滑块，所述X轴步进电机4输出轴端连接X轴丝杠3，与X轴丝杠3配合的X轴丝杠螺母连接在X轴导轨滑块上，X轴导轨10安装在机体两侧的导轨底座2上。
[0045]所述Υ轴传动装置包括Υ轴步进电机5、Υ轴丝杠3、Υ轴丝杠螺母、Υ轴导轨及Υ轴导轨滑块，所述Υ轴步进电机5输出轴端连接Υ轴丝杠8，与Υ轴丝杠8配合的丝杠螺母连接在Υ轴导轨滑块上，Υ轴导轨安装在两横梁9上。
[0046]所述X轴导轨、Υ轴导轨和Ζ轴导轨的两端分别设置限位开关，编码器分别位于X轴、Υ轴和Ζ轴步进电机尾端，与各轴步进电机同轴相连。显示屏指示灯、限位开关、编码器作为信号指示和反馈通路分别连接到PLC的输出端口和输入端口。
[0047]所述PLC还包括作为上位机的触摸屏，所述的触摸屏通过串行通信电缆与可编程控制器PLC相连，触摸屏的控制信号连接到PLC的输入端口，PLC输出三组脉冲信号分别连接至Ijx轴步进电机、Υ轴步进电机5和Ζ轴步进电机6的驱动器。
[0048]本发明的X、Y坐标运动由步进电机经联轴器驱动滚珠丝杠实现，其行程分别为2000mm和ΙδΟΟπιπ^Ζ轴传动装置固定在Υ轴导轨滑块上，在Ζ轴步进电机6和Ζ轴丝杠7的驱动下，沿着Ζ轴导轨15移动，实现上、下方向的运动从而带动划线头13实现进给，其行程为500_。划线头13由划线头夹具12固定于Ζ轴工作台16，从而带动划线头13的进给运动。
[0049]由于三坐标划线机一般用于车间环境工作，粉尘和振动影响较大，划线机的传动系统要求工作稳定和抗干扰能力较强，以满足划线精度的要求。因此划线机三轴传动系统均采用精密滚珠丝杠副和滚珠直线导轨副来进行传动和导向，这种结构方式的传动稳定，定位准确。
[0050]三坐标划线机的三轴运动系统设计，是以步进电动机、联轴器、滚珠丝杠副、滑块和平台组成的闭环控制系统，控制定位精度为± 0.01mm，快速进给速度为5m/min。各进给方向均设有限位开关，防止行程超限以及划线机零点归为。此外，位置反馈系统主要采用增量式编码器及限位开关。
[0051]本发明控制系统框图如图5所示，主要由作为上位机的触摸屏、西门子的可编程控制器PLC作为下位机、包含三个方向的三组步进电机驱动器装置、步进电机、划线头装置、回转工作平台和反馈环节组成。触摸屏采用威纶TK6070IP型触摸屏，触摸屏共有RS-232接口、Mini USB接口以及24VDC电源4接口，可以执行PP1、MP1、PROFIBUS、ETHERNET等通讯的连接。在本发明中，Mini USB用来下载程序，RS-232用于与PLC连接通讯网络。由于触摸屏所需电源为24VDC，所以需要电源供应器接线连接。PLC采用西门子的S7-200PLC，采用CPU226，拥有24路24VDC输入和16路24VDC输出，刚好满足实现脉冲输出、控制信号输入、信号反馈、状态指示、操作指令发送的功能。步进电机驱动器根据电机选择的型号不同而不同，本实例选用高性能步进电机驱动器MB450A，采用直流18?50V供电，适合驱动电压24V?50V，电流小于4.2A外径42?86毫米的两相混合式步进电机。划线头14和回转工作台15的控制信号直接由PLC发出控制。反馈环节主要包括指示灯、编码器和限位开关组成，限位开关安装在X、Y、Z三坐标轴上，负责对运动极限的控制；指示灯用以显示相关的工作状态;编码器用来对步进电机进行反馈，以计算当前划线头14的坐标位置。
[0052]由指示灯、限位开关、编码器等生成反馈信号并传递、显示反馈信号相关的附件，所述的触摸屏通过串行通信电缆与可编程控制器PLC相连，回转工作台的控制信号连接到PLC的输入端口，PLC输出三组脉冲信号分别连接到X轴电机驱动器、Υ轴电机驱动器和Ζ轴电机驱动器，各电机驱动器分别连接相应的电机，PLC控制信号同样连接到划线头14与回转工作台15，控制划线头是否工作，回转工作台15是为了使工件一次装夹完成多个面的划线，而指示灯、限位开关、编码器等作为信号指示和反馈通路分别连接到PLC的输出端口和输入端口。触摸屏作为上位机负责划线点坐标的输入、划线头运动实时坐标反馈、三坐标轴运动机构的调速、点动操作按钮和整机运行状态监督反馈等功能。
[0053]本发明中，回转工作台15是执行划线机多点多面的划线。回转工作台15为现有结构，其运动执行是由工作台电机驱动蜗轮蜗杆机构实现回转的，三轴方向的运动装置则是步进电机驱动丝杠螺母传动装置进行运动；划线头13的两个工位之间相互垂直，当对工件顶端或底面进行划线时，划线头13垂直工作，当对工件侧面划线时，划线头13旋转90度，从而对其侧面进行划线。
[0054]划线机的回转工作台15负责切换工件划线面的任务，当需对工件多个侧面进行划线时，由于划线头13只具备两个工位的限制，无法对其它侧面进行划线，这时需配合回转工作台15的运动来调整工件的待划线面到划线头13所在面，从而实现划线机的一次装夹完成多个面的划线功能。
[0055]在人工操作划线机时，需通过触摸屏设置各划线点的坐标位置，PLC通过计算划线头位置与划线点间的距离，计算出所需输出脉冲数量，Χ、γ、ζ三方向的运动通过PID的调节实现划线机精确、稳定的划线。
[0056]当划线头运行到划线点时，为提高划线精度，需对划线头实时坐标进行反馈，通过编码器反馈步进电机转数脉冲，计算出划线头位移量，从而与待划线点坐标进行对比，提高划线机的划线精度。
[0057]各电机控制电路原理图如图6所示。从图6中可以看出，划线机共配置5台电动机分别为。其中M1、M2、M3为Χ、Υ、Ζ主轴进给步进电机;Μ4为控制回转工作台各加工面回转的电动机;M5S控制划线头转动划线的电动机。
[0058]主电机分别完成三坐标轴方向的主运动以及划线头进给运动的驱动。采用直接启动方式，可正反两个方向旋转，并可进行正反两个方向的紧急制动停车。通知为划线调整方便，还具备点动功能。
[0059]其中由正转控制接触器KMi和反转控制接触器KM2的两组主触点构成三个电机的正反转电路。为保证主电路的正常运行，主电路中还设置了采用熔断器的保护电路环节和采用热继电器的电动机过载保护环节。电路中FRhFR^FRhFR^Ffo为热继电器，用于若机械出现不正常的情况或者电路异常使电动机遇到过载，则电动机转速下降、绕组中的电流增大，使电动机的绕组温度升高、电动机绕组老化，缩短电动机的使用寿命，严重时甚至会使电动机烧毁。所以在电机过载时切断电动机电路，为电动机提供过载保护的保护电器。
[0060]编码器PG与电机的主轴同轴相连，在电机启东时编码器把角位移或直线位移转换成电信号，完成对划线机坐标位置进行反馈。
[0061 ]回转工作台电动机M4和划线头电动机M5 *KM7、KM8接触器控制，采用直接启动/停止方式，根据使用需要，随时手动控制启停。
[0062]如图6控制电路图所示:
[0063](1)电动机M1、M2、M3正反转控制分别由正转控制接触器KM^KM^KMs和反转控制接触器KM4、KMs、KM6共6组主接触触点构成三坐标轴电动机的正反转电路。
[0064](2)主轴电机的点动控制:由于毛坯工件铸造误差、步进电机转动偷转或者丝杠滑块传动误差，导致X、Y坐标 轴运动或划线头进给未能达到设定工件划线坐标要求，需对三坐标轴步进电机进行点动控制调整。合上隔离开关QS，按启动按钮SQ，三坐标主轴正反转接触器得电，电机串接电阻R低速转动，从而实现点动控制。松开启动按钮SQ，接触器失电，电机停止转动。
[0065](3)三坐标轴电机正反转控制:电路要求正反转接触器KMjP接触器ΚΜ4不能同时接通电源，否则它们的主触头将同时闭合，造成两相电源短路，为此在KMdPKM4线圈各自支路中相互串联对方的一副动断辅助触头，以保证接触器KMjPKM4不会同时接通电源，KM4PKM4这两副动断辅助触头在线路中所起的作用为互锁作用。同理，KM2与KM5、KM3与KM6互为正反转互锁接触器。
[0066]SQ2、SQ3、SQ4为限位开关，这三个限位开关为常闭开关。当复合开关SB2闭合时，接触器KMJ#电吸和，从而见电动机正转，当工作台触碰到X轴的限位开关，常闭开关SQ2被压住，SQ2的动断点断开，接触器腿失电释放，X轴电机施停止运转，起到限位保护的作用。同时当划线机启动时，Χ、γ、ζ三轴同时运动到限位开关处停止，所处位置设置为划线机的坐标原点。
[0067](4)划线头进给控制:ΚΤ作用为控制ΚΜ8的吸合时间，保证在Χ、Υ坐标轴停止运动到达所设定的划线点坐标并且稳定后，再进行划线头转动进给工作。当时间继电器ΚΤ的常闭触点延时断开后，时间继电器ΚΤ线圈失电，使接触器KMs得电吸合，划线头电动机转动，同时Ζ轴向下实行进给运动。经ts延时断开的常闭触点恢复闭合，接触器ΚΜ8失电，划线头停止进给工作。
[0068](5)回转工作台电动机控制:按下回转工作台启动按钮SQi，接触器KM7得电，回转工作台电动机M4转动，工作台转动90度。松开启动按钮SGh，KM7失电，M4停止。从而使划线机实现一次装夹可以完成5个面的划线。
[0069]如图7所示，所述PLC控制器的控制流程，包括如下步骤:
[0070]第一步:接通电源，通电复位对刀，三坐标轴移动到机床坐标原点，触摸屏上坐标显示清空为0，系统初始化，点动对刀，然后划线机复位到机床原点；即:检测划线头是否移动到位，直到划线头到位后，开始等待；[0071 ]第二步:在触摸屏上输入划线点坐标，判断采用自动控制或手动控制;如采用自动控制，则进行第三步;如采用手动控制，则手动设置运动速度，点动控制x、y、z轴运动、回转工作台及划线头的进给、启停，通过手动控制划线头在零件上划线，然后进入到判断是否完成划线的步骤；
[0072]第三步:驱动X轴、Υ轴传动装置快进到设定坐标点；
[0073]第四步:检测X轴、Υ轴传动装置是否到位？如X轴、Υ轴传动装置不到位，坐标有误差，则进行人工点动位置调整，如到位，则启动划线头；
[0074]第五步:控制Ζ轴进给传动装置向下运动，检测Ζ轴进给传动装置是否到位?如Ζ轴进给传动装置不到位，未达到待划线工件表面，进行点动进给划线；如第一点位划线完成，贝1JZ轴划线头抬起复位;然后直接进入到判断是否完成划线的步骤；
[0075]第五步:判断是否完成划线？如已完成，无其它坐标，则划线结束;如未完成，在同一平面还有其它待划线点位，则重复第三步到第五步重新划线；
[0076]第六步:判断是否对侧面进行划线？如需要，则驱动回转工作台旋转，人工旋转划线头90度自锁；
[0077]第七步:驱动Υ轴、Ζ轴传动装置快进到设定坐标点，划线头启动；
[0078]第八步:驱动X轴传动装置运动，实现X轴进给，划线完成后，Χ轴复位，划线结束。
[0079]本发明可以实现一次装夹可以完成5个平面的划线。最后，若划线点位于工件底部，需人工对其重新进行装夹、对刀。
【主权项】
1.一种基于PLC控制的工件钳工划线三维数控设备，其特征在于:包括机体、回转工作台、Z轴传动进给装置、划线装置、X轴传动装置、Y轴传动装置及PLC控制器，所述机体包括机体底座、导轨底座、横梁及横梁支柱，导轨底座置于机体底座两侧，X轴传动装置沿机体一侧导轨底座设置，横梁支柱通过X轴导轨置于机体底座两侧的导轨底座上，横梁置于横梁支柱上，横梁支柱带动横梁沿机体底座上的X轴导轨滑动，Y轴传动装置设置于横梁支柱上两横梁之间，Z轴传动进给装置安装于横梁上，与Y轴传动装置连接，划线装置安装于Z轴传动进给装置端，回转工作台置于机体底座上，所述PLC控制器分别连接X轴传动装置、Y轴传动装置、Z轴传动进给装置、回转工作台、划线装置，工作时，回转工作台上设置待划线零件，PLC控制器控制划线装置对应回转工作台上的零件划线。2.根据权利要求1所述的基于PLC控制的工件钳工划线三维数控设备，其特征在于:所述Z轴传动进给装置包括Z轴步进电机、Z轴导轨、Z轴丝杠、丝杠螺母、工作台、Z轴底座、Z轴导轨滑块、轴承及轴承支架，所述Z轴导轨两侧设置轴承支架，Z轴丝杠平行于Z轴导轨，通过滚动轴承安装于轴承支架上，与Z轴丝杠配合传动的丝杠螺母固定在工作台上，工作台两侧通过Z轴导轨滑块与Z轴导轨连接，Z轴丝杠一端连接在Z轴步进电机的输出轴上，通过Z轴丝杠带动工作台沿Z轴导轨滑动。3.根据权利要求2所述的基于PLC控制的工件钳工划线三维数控设备，其特征在于:所述划线装置包括划线头夹具、划线头、电机和旋转轴，划线头安装在划线头夹具一端，划线夹具另一端通过电机连接在Z轴传动进给装置的工作台的旋转轴上，电机的开关信号与PLC相连接，通过触摸屏控制实现划线头的开关。4.根据权利要求1所述的基于PLC控制的工件钳工划线三维数控设备，其特征在于:所述X轴传动装置包括X轴步进电机、X轴丝杠、丝杠螺母、X轴导轨及X轴导轨滑块，所述X轴步进电机输出轴端连接X轴丝杠，与X轴丝杠配合的丝杠螺母连接在X轴导轨滑块上，X轴导轨安装在机体两侧的导轨底座上。5.根据权利要求1所述的基于PLC控制的工件钳工划线三维数控设备，其特征在于:所述Y轴传动装置包括Y轴步进电机、Y轴丝杠、丝杠螺母、Y轴导轨及Y轴导轨滑块，所述Y轴步进电机输出轴端连接Y轴丝杠，与Y轴丝杠配合的丝杠螺母连接在Y轴导轨滑块上，Y轴导轨安装在两横梁上。6.根据权利要求1所述的基于PLC控制的工件钳工划线三维数控设备，其特征在于:所述X、Y、Z三轴的顶端和末尾处，其中限位开关分别位于X、Y、Z三轴的顶端和末尾处，编码器位于步进电机尾端，与步进电机同轴相连。指示灯、限位开关、编码器作为信号指示和反馈通路分别连接到PLC的输出端口和输入端口。7.根据权利要求1所述的基于PLC控制的工件钳工划线三维数控设备，其特征在于:还包括作为上位机的触摸屏，所述的触摸屏通过串行通信电缆与可编程控制器PLC相连，触摸屏的控制信号连接到PLC的输入端口，PLC输出三组脉冲信号分别连接到X轴步进电机、Υ轴步进电机和Ζ轴步进电机的驱动器。8.根据权利要求1所述的基于PLC控制的工件钳工划线三维数控设备，其特征在于:所述PLC控制器的控制流程，包括如下步骤: 第一步:接通电源，通电复位对刀，三坐标轴移动到机床坐标原点，，系统初始化;检测划线头是否移动到位，直到划线头到位后，开始等待； 第二步:判断采用自动控制或手动控制；如采用自动控制，则进行第三步；如采用手动控制，则直接手动控制划线头在零件上划线，然后进入到判断是否完成划线的步骤； 第三步:驱动X轴、Y轴传动装置快进到设定坐标点； 第四步:检测X轴、Y轴传动装置是否到位?如X轴、Y轴传动装置不到位，坐标有误差，则进行人工点动位置调整，如到位，则启动划线头； 第五步:控制Z轴进给传动装置向下运动，检测Z轴进给传动装置是否到位?如Z轴进给传动装置不到位，未达到待划线工件表面，进行点动进给划线;如第一点位划线完成，则Z轴划线头抬起复位;然后直接进入到判断是否完成划线的步骤； 第五步:判断是否完成划线？如已完成，无其它坐标，则结束；如未完成，在同一平面还有其它待划线点位，则重复第三步到第五步重新划线； 第六步:判断是否对侧面进行划线？如需要，则驱动回转工作台旋转，人工旋转划线头90度自锁； 第七步:驱动Y轴、Z轴传动装置快进到设定坐标点，划线头启动； 第八步:驱动X轴传动装置运动，实现X轴进给，划线完成后，X轴复位，划线结束。
【专利摘要】一种基于PLC控制的工件钳工划线三维数控设备，属于机械设备技术领域。包括机体、回转工作台、Z轴传动进给装置、划线装置、X轴传动装置、Y轴传动装置及PLC，所述机体的导轨底座置于机体底座两侧，X轴传动装置沿导轨底座设置，横梁支柱通过X轴导轨置于机体的导轨底座上，横梁置于横梁支柱上，横梁支柱带动横梁沿机体底座上的X轴导轨滑动，Y轴传动装置设置于两横梁之间，Z轴传动进给装置安装于横梁上，与Y轴传动装置连接，划线装置安装于Z轴传动进给装置端，回转工作台置于机体底座上，工作时，PLC控制划线装置对应回转工作台上的零件划线。本发明划线精度较高，达到0.01mm。
【IPC分类】G09B25/02
【公开号】CN105489104
【申请号】CN201510789093
【发明人】张云凤, 韩巍, 赵民, 肖强
【申请人】沈阳建筑大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年11月17日
【技术领域】
[0001]本发明属于机械设备技术领域，特别是涉及一种基于PLC控制的工件钳工划线三维数控设备，适用于在毛坯工件上进行定点划线，代替传统钳工划线。
【背景技术】
[0002]在零件加工生产过程中，需要对工件进行钳工划线，来确定其加工位置及加工轮廓等。传统的人工钳工划线采用游标卡尺、圆规、钳工划线盘、钢直尺等工具进行划线。此工序复杂且不能保证较高的精度，同时当零件尺寸较大、外形复杂，需对多个面进行划线时，划线精度低、效率不高、劳动强度较大。同时随着生产制造业的发展，所需零部件的增加，人工划线效率已不能满足生产的需求，因此对划线效率提出了更高的要求。现如今我国数控技术已得到了长足的发展，CNC(computer numeric control)型控制系统变得日益普及，设计数控型三坐标划线机取代人工划线将有助于提高生产效率，提高产品质量，代替传统的手工划线与测量作业，只需一次或两次装卡便可完成对工件的划线。
【发明内容】
[0003]针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于PLC控制的工件钳工划线三维数控设备。它是将数控技术引入到传统制造业中的划线步骤中，结构简单紧凑、易操作、成本较低、精度较高的数控设备，其功能无需输入工件CAD图纸及数控代码，只需输入待划线点坐标位置，三坐标划线机可自动完成定点、划线等工序操作。
[0004]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:
[0005]本发明一种基于PLC控制的工件钳工划线三维数控设备，包括机体、回转工作台、Z轴传动进给装置、划线装置、X轴传动装置、Y轴传动装置及PLC控制器，所述机体包括机体底座、导轨底座、横梁及横梁支柱，导轨底座置于机体底座两侧，X轴传动装置沿机体一侧导轨底座设置，横梁支柱通过X轴导轨置于机体底座两侧的导轨底座上，横梁置于横梁支柱上，横梁支柱带动横梁沿机体底座上的X轴导轨滑动，Y轴传动装置设置于横梁支柱上两横梁之间，Z轴传动进给装置安装于横梁上，与Y轴传动装置连接，划线装置安装于Z轴传动进给装置端，回转工作台置于机体底座上，所述PLC控制器分别连接X轴传动装置、Y轴传动装置、Z轴传动进给装置、回转工作台、划线装置，工作时，回转工作台上设置待划线零件，PLC控制器控制划线装置对应回转工作台上的零件划线。
[0006]进一步地，所述Z轴传动进给装置包括Z轴步进电机、Z轴导轨、Z轴丝杠、丝杠螺母、工作台、Z轴底座、Z轴导轨滑块、轴承及轴承支架，所述Z轴导轨两侧设置轴承支架，Z轴丝杠平行于Z轴导轨，通过滚动轴承安装于轴承支架上，与Z轴丝杠配合传动的丝杠螺母固定在工作台上，工作台两侧通过Z轴导轨滑块与Z轴导轨连接，Z轴丝杠一端连接在Z轴步进电机的输出轴上，通过Z轴丝杠带动工作台沿Z轴导轨滑动。
[0007]进一步地，所述划线装置包括划线头夹具、划线头、电机和旋转轴，划线头安装在划线头夹具一端，划线夹具另一端通过电机连接在Z轴传动进给装置的工作台的旋转轴上，电机的开关信号与PLC相连接，通过触摸屏控制实现划线头的开关。
[0008]进一步地，所述X轴传动装置包括X轴步进电机、X轴丝杠、丝杠螺母、X轴导轨及X轴导轨滑块，所述X轴步进电机输出轴端连接X轴丝杠，与X轴丝杠配合的丝杠螺母连接在X轴导轨滑块上，X轴导轨安装在机体两侧的导轨底座上。
[0009]进一步地，所述Y轴传动装置包括Y轴步进电机、Y轴丝杠、丝杠螺母、Y轴导轨及Y轴导轨滑块，所述Y轴步进电机输出轴端连接Y轴丝杠，与Y轴丝杠配合的丝杠螺母连接在Y轴导轨滑块上，Y轴导轨安装在两横梁上。
[0010]进一步地，所述X、Y、Z三轴的顶端和末尾处，其中限位开关分别位于X、Y、Z三轴的顶端和末尾处，编码器位于步进电机尾端，与步进电机同轴相连。指示灯、限位开关、编码器作为信号指示和反馈通路分别连接到PLC的输出端口和输入端口。
[0011]进一步地，还包括作为上位机的触摸屏，所述的触摸屏通过串行通信电缆与可编程控制器PLC相连，触摸屏的控制信号连接到PLC的输入端口，PLC输出三组脉冲信号分别连接到X轴步进电机、Υ轴步进电机和Ζ轴步进电机的驱动器。
[0012]进一步地，所述PLC控制器的控制流程，包括如下步骤:
[0013]第一步:接通电源，通电复位对刀，三坐标轴移动到机床坐标原点，，系统初始化；检测划线头是否移动到位，直到划线头到位后，开始等待；
[0014]第二步:判断采用自动控制或手动控制；如采用自动控制，则进行第三步；如采用手动控制，则直接手动控制划线头在零件上划线，然后进入到判断是否完成划线的步骤；
[0015]第三步:驱动X轴、Υ轴传动装置快进到设定坐标点；
[0016]第四步:检测X轴、Υ轴传动装置是否到位？如X轴、Υ轴传动装置不到位，坐标有误差，则进行人工点动位置调整，如到位，则启动划线头；
[0017]第五步:控制Ζ轴进给传动装置向下运动，检测Ζ轴进给传动装置是否到位?如Ζ轴进给传动装置不到位，未达到待划线工件表面，进行点动进给划线；如第一点位划线完成，贝1JZ轴划线头抬起复位;然后直接进入到判断是否完成划线的步骤；
[0018]第五步:判断是否完成划线？如已完成，无其它坐标，则结束;如未完成，在同一平面还有其它待划线点位，则重复第三步到第五步重新划线；
[0019]第六步:判断是否对侧面进行划线？如需要，则驱动回转工作台旋转，人工旋转划线头90度自锁；
[0020]第七步:驱动Υ轴、Ζ轴传动装置快进到设定坐标点，划线头启动；
[0021 ]第八步:驱动X轴传动装置运动，实现X轴进给，划线完成后，Χ轴复位，划线结束。
[0022]本发明具有以下有益效果及优点:
[0023]1.本发明的三坐标划线机划线精度较高，达到0.01mm。
[0024]2.本发明经济、实用，采用成熟技术，可用于工业加工现场等恶劣环境。
[0025]3.本发明应用可编程控制器PLC实现数控设备的控制，体积小、抗干扰能力强、功能扩展方便。
[0026]4.本发明可对划线头坐标位置进行反馈，直观反映出坐标位置与划线头位置间的误差，可对其进行点动微调。
【附图说明】
[0027]图1是本发明的结构示意图。
[0028]图2是图1的俯视图。
[0029 ]图3是图1中进给机构结构图。
[0030]图4是图1中划线头结构图。
[0031]图5是本发明的控制系统结构框图。
[0032]图6是本发明的电气控制电路图。
[0033]图7是本发明的控制系统程序流程图。
[0034]图中:1-机体底座，2-导轨底座，3-X轴丝杠，4-X轴步进电机，5_Y轴步进电机，6_Ζ轴步进电机，7-Ζ轴丝杠，8-Υ轴丝杠，9-横梁，10-Χ轴导轨，11-横梁支柱，12-划线头夹具，13-划线头，14-回转工作台；15-Ζ轴导轨，16-工作台，17-直线导轨，18-丝杠螺母，19-轴承支架，20-滑块，21-Ζ轴底座，22-滚动轴承，23-电机，24-旋转轴。
[0035]SB1-总启动开关，SB2-M1正转启动按钮，SB3-M1反转启动按钮，SB4-M2正转启动按钮，SB5-M2反转启动按钮，SB6-M3正转启动按钮，SB7-M3反转启动按钮，SB8-划线头启动按钮，SB9-总停止开关，SQ1-回转工作台旋转按钮，SQ2-X轴限位开关，SQ3-Y轴限位开关，SQ4-Ζ轴限位开关，FR-热继电器，SQ-点动开关，ΚΜ1-Μ1正转接触器，ΚΜ2-Μ2正转接触器，ΚΜ3-Μ3正转接触器，ΚΜ4-Μ1反转接触器，ΚΜ5-Μ2反转接触器，ΚΜ6-Μ3反转接触器，ΚΜ7-划线头转动接触器，ΚΜ8-工作台旋转接触器，HL-指示灯。
【具体实施方式】
[0036]下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步阐述。
[0037]实施例:如图1、图2所示，本发明基于PLC控制的工件钳工划线三维数控设备，包括机体、回转工作14、Ζ轴传动进给装置、划线装置、X轴传动装置、Υ轴传动装置及PLC控制器，所述机体包括机体底座1、导轨底座2、横梁9及横梁支柱11，导轨底座2置于机体底座1两侧，X轴传动装置沿机体一侧导轨底座2设置，横梁支柱11通过X轴导轨置于机体底座1两侧的导轨底座2上，横梁9置于横梁支柱11上，横梁支柱11带动横梁9沿机体底座1上的X轴导轨滑动，Υ轴传动装置设置于横梁支柱11上两横梁9之间，Ζ轴传动进给装置安装于横梁9上，与Υ轴传动装置连接，划线装置安装于Ζ轴传动进给装置端，回转工作台14置于机体底座1上，所述PLC控制器分别连接X轴传动装置、Υ轴传动装置、Ζ轴传动进给装置、回转工作台14，工作时，回转工作台14上设置待划线零件，PLC控制器控制划线装置对应回转工作台14上的零件划线。
[0038]如图3所示为Ζ轴进给机构，所述Ζ轴传动进给装置包括Ζ轴步进电机6、Ζ轴导轨15、Ζ轴丝杠7、丝杠螺母18、工作台16、Ζ轴底座21、Ζ轴导轨滑块20 、轴承22及轴承支架19，所述Ζ轴导轨15两侧设置轴承支架19，Ζ轴丝杠7平行于Ζ轴导轨15，通过滚动轴承22安装于轴承支架19上，与Ζ轴丝杠7配合传动的丝杠螺母18固定在工作台16上，工作台16两侧通过Ζ轴导轨滑块20与Ζ轴导轨15连接，Ζ轴丝杠7—端连接在Ζ轴步进电机6的输出轴上，通过Ζ轴丝杠7带动工作台16沿Ζ轴导轨15滑动。
[0039]如图4所示为划线头装置。所述划线装置包括划线头夹具12、划线头13、电机23和旋转轴24，划线头13安装在划线头夹具12—端，划线夹具12另一端通过电机23连接在Ζ轴传动进给装置的工作台16的旋转轴上，电机23的开关信号与PLC相连接，可通过触摸屏控制实现划线头13的开关。划线头13随X、Y轴做平面运动，当划线头13移动到设定点位坐标时，X、Y坐标轴停止运动，同时划线头14转动、Ζ轴向下运动，从而实现划线头13进给划线。即:划线头13处在工位I时用来完成ΧΟΥ平面上的划线点任务，人工将划线头13绕其旋转轴24旋转90°自锁，用来完成ΥΟΖ等平面点位划线，从而实现一次装夹完成多个平面划线。
[0040]划线头13装置的结构特点主要有:
[0041](1)划线头13旋转中心线可以与主轴旋转中心线成90度对待划线工件进行划线。
[0042](2)使用划线头13，无需改变划线机结构就可以增大其划线范围和适应性，使一些用传统方法难以完成的复杂工件得以实现，并能减少工件重复装夹，提高加工精度和效率。
[0043](3)因划线头13扩充了划线机的使用性能，相当于给划线机又增加了一根轴，可由PLC控制划线头13自动90度旋转，在大型工件固定困难、不易翻转或是精密工件一次性固定需加工多个面时，比传统划线方式实用、效率更高。
[0044]如图1、图2所示，所述X轴传动装置包括X轴步进电机4、Χ轴丝杠3、Χ轴丝杠螺母、X轴导轨10及X轴导轨滑块，所述X轴步进电机4输出轴端连接X轴丝杠3，与X轴丝杠3配合的X轴丝杠螺母连接在X轴导轨滑块上，X轴导轨10安装在机体两侧的导轨底座2上。
[0045]所述Υ轴传动装置包括Υ轴步进电机5、Υ轴丝杠3、Υ轴丝杠螺母、Υ轴导轨及Υ轴导轨滑块，所述Υ轴步进电机5输出轴端连接Υ轴丝杠8，与Υ轴丝杠8配合的丝杠螺母连接在Υ轴导轨滑块上，Υ轴导轨安装在两横梁9上。
[0046]所述X轴导轨、Υ轴导轨和Ζ轴导轨的两端分别设置限位开关，编码器分别位于X轴、Υ轴和Ζ轴步进电机尾端，与各轴步进电机同轴相连。显示屏指示灯、限位开关、编码器作为信号指示和反馈通路分别连接到PLC的输出端口和输入端口。
[0047]所述PLC还包括作为上位机的触摸屏，所述的触摸屏通过串行通信电缆与可编程控制器PLC相连，触摸屏的控制信号连接到PLC的输入端口，PLC输出三组脉冲信号分别连接至Ijx轴步进电机、Υ轴步进电机5和Ζ轴步进电机6的驱动器。
[0048]本发明的X、Y坐标运动由步进电机经联轴器驱动滚珠丝杠实现，其行程分别为2000mm和ΙδΟΟπιπ^Ζ轴传动装置固定在Υ轴导轨滑块上，在Ζ轴步进电机6和Ζ轴丝杠7的驱动下，沿着Ζ轴导轨15移动，实现上、下方向的运动从而带动划线头13实现进给，其行程为500_。划线头13由划线头夹具12固定于Ζ轴工作台16，从而带动划线头13的进给运动。
[0049]由于三坐标划线机一般用于车间环境工作，粉尘和振动影响较大，划线机的传动系统要求工作稳定和抗干扰能力较强，以满足划线精度的要求。因此划线机三轴传动系统均采用精密滚珠丝杠副和滚珠直线导轨副来进行传动和导向，这种结构方式的传动稳定，定位准确。
[0050]三坐标划线机的三轴运动系统设计，是以步进电动机、联轴器、滚珠丝杠副、滑块和平台组成的闭环控制系统，控制定位精度为± 0.01mm，快速进给速度为5m/min。各进给方向均设有限位开关，防止行程超限以及划线机零点归为。此外，位置反馈系统主要采用增量式编码器及限位开关。
[0051]本发明控制系统框图如图5所示，主要由作为上位机的触摸屏、西门子的可编程控制器PLC作为下位机、包含三个方向的三组步进电机驱动器装置、步进电机、划线头装置、回转工作平台和反馈环节组成。触摸屏采用威纶TK6070IP型触摸屏，触摸屏共有RS-232接口、Mini USB接口以及24VDC电源4接口，可以执行PP1、MP1、PROFIBUS、ETHERNET等通讯的连接。在本发明中，Mini USB用来下载程序，RS-232用于与PLC连接通讯网络。由于触摸屏所需电源为24VDC，所以需要电源供应器接线连接。PLC采用西门子的S7-200PLC，采用CPU226，拥有24路24VDC输入和16路24VDC输出，刚好满足实现脉冲输出、控制信号输入、信号反馈、状态指示、操作指令发送的功能。步进电机驱动器根据电机选择的型号不同而不同，本实例选用高性能步进电机驱动器MB450A，采用直流18?50V供电，适合驱动电压24V?50V，电流小于4.2A外径42?86毫米的两相混合式步进电机。划线头14和回转工作台15的控制信号直接由PLC发出控制。反馈环节主要包括指示灯、编码器和限位开关组成，限位开关安装在X、Y、Z三坐标轴上，负责对运动极限的控制；指示灯用以显示相关的工作状态;编码器用来对步进电机进行反馈，以计算当前划线头14的坐标位置。
[0052]由指示灯、限位开关、编码器等生成反馈信号并传递、显示反馈信号相关的附件，所述的触摸屏通过串行通信电缆与可编程控制器PLC相连，回转工作台的控制信号连接到PLC的输入端口，PLC输出三组脉冲信号分别连接到X轴电机驱动器、Υ轴电机驱动器和Ζ轴电机驱动器，各电机驱动器分别连接相应的电机，PLC控制信号同样连接到划线头14与回转工作台15，控制划线头是否工作，回转工作台15是为了使工件一次装夹完成多个面的划线，而指示灯、限位开关、编码器等作为信号指示和反馈通路分别连接到PLC的输出端口和输入端口。触摸屏作为上位机负责划线点坐标的输入、划线头运动实时坐标反馈、三坐标轴运动机构的调速、点动操作按钮和整机运行状态监督反馈等功能。
[0053]本发明中，回转工作台15是执行划线机多点多面的划线。回转工作台15为现有结构，其运动执行是由工作台电机驱动蜗轮蜗杆机构实现回转的，三轴方向的运动装置则是步进电机驱动丝杠螺母传动装置进行运动；划线头13的两个工位之间相互垂直，当对工件顶端或底面进行划线时，划线头13垂直工作，当对工件侧面划线时，划线头13旋转90度，从而对其侧面进行划线。
[0054]划线机的回转工作台15负责切换工件划线面的任务，当需对工件多个侧面进行划线时，由于划线头13只具备两个工位的限制，无法对其它侧面进行划线，这时需配合回转工作台15的运动来调整工件的待划线面到划线头13所在面，从而实现划线机的一次装夹完成多个面的划线功能。
[0055]在人工操作划线机时，需通过触摸屏设置各划线点的坐标位置，PLC通过计算划线头位置与划线点间的距离，计算出所需输出脉冲数量，Χ、γ、ζ三方向的运动通过PID的调节实现划线机精确、稳定的划线。
[0056]当划线头运行到划线点时，为提高划线精度，需对划线头实时坐标进行反馈，通过编码器反馈步进电机转数脉冲，计算出划线头位移量，从而与待划线点坐标进行对比，提高划线机的划线精度。
[0057]各电机控制电路原理图如图6所示。从图6中可以看出，划线机共配置5台电动机分别为。其中M1、M2、M3为Χ、Υ、Ζ主轴进给步进电机;Μ4为控制回转工作台各加工面回转的电动机;M5S控制划线头转动划线的电动机。
[0058]主电机分别完成三坐标轴方向的主运动以及划线头进给运动的驱动。采用直接启动方式，可正反两个方向旋转，并可进行正反两个方向的紧急制动停车。通知为划线调整方便，还具备点动功能。
[0059]其中由正转控制接触器KMi和反转控制接触器KM2的两组主触点构成三个电机的正反转电路。为保证主电路的正常运行，主电路中还设置了采用熔断器的保护电路环节和采用热继电器的电动机过载保护环节。电路中FRhFR^FRhFR^Ffo为热继电器，用于若机械出现不正常的情况或者电路异常使电动机遇到过载，则电动机转速下降、绕组中的电流增大，使电动机的绕组温度升高、电动机绕组老化，缩短电动机的使用寿命，严重时甚至会使电动机烧毁。所以在电机过载时切断电动机电路，为电动机提供过载保护的保护电器。
[0060]编码器PG与电机的主轴同轴相连，在电机启东时编码器把角位移或直线位移转换成电信号，完成对划线机坐标位置进行反馈。
[0061 ]回转工作台电动机M4和划线头电动机M5 *KM7、KM8接触器控制，采用直接启动/停止方式，根据使用需要，随时手动控制启停。
[0062]如图6控制电路图所示:
[0063](1)电动机M1、M2、M3正反转控制分别由正转控制接触器KM^KM^KMs和反转控制接触器KM4、KMs、KM6共6组主接触触点构成三坐标轴电动机的正反转电路。
[0064](2)主轴电机的点动控制:由于毛坯工件铸造误差、步进电机转动偷转或者丝杠滑块传动误差，导致X、Y坐标 轴运动或划线头进给未能达到设定工件划线坐标要求，需对三坐标轴步进电机进行点动控制调整。合上隔离开关QS，按启动按钮SQ，三坐标主轴正反转接触器得电，电机串接电阻R低速转动，从而实现点动控制。松开启动按钮SQ，接触器失电，电机停止转动。
[0065](3)三坐标轴电机正反转控制:电路要求正反转接触器KMjP接触器ΚΜ4不能同时接通电源，否则它们的主触头将同时闭合，造成两相电源短路，为此在KMdPKM4线圈各自支路中相互串联对方的一副动断辅助触头，以保证接触器KMjPKM4不会同时接通电源，KM4PKM4这两副动断辅助触头在线路中所起的作用为互锁作用。同理，KM2与KM5、KM3与KM6互为正反转互锁接触器。
[0066]SQ2、SQ3、SQ4为限位开关，这三个限位开关为常闭开关。当复合开关SB2闭合时，接触器KMJ#电吸和，从而见电动机正转，当工作台触碰到X轴的限位开关，常闭开关SQ2被压住，SQ2的动断点断开，接触器腿失电释放，X轴电机施停止运转，起到限位保护的作用。同时当划线机启动时，Χ、γ、ζ三轴同时运动到限位开关处停止，所处位置设置为划线机的坐标原点。
[0067](4)划线头进给控制:ΚΤ作用为控制ΚΜ8的吸合时间，保证在Χ、Υ坐标轴停止运动到达所设定的划线点坐标并且稳定后，再进行划线头转动进给工作。当时间继电器ΚΤ的常闭触点延时断开后，时间继电器ΚΤ线圈失电，使接触器KMs得电吸合，划线头电动机转动，同时Ζ轴向下实行进给运动。经ts延时断开的常闭触点恢复闭合，接触器ΚΜ8失电，划线头停止进给工作。
[0068](5)回转工作台电动机控制:按下回转工作台启动按钮SQi，接触器KM7得电，回转工作台电动机M4转动，工作台转动90度。松开启动按钮SGh，KM7失电，M4停止。从而使划线机实现一次装夹可以完成5个面的划线。
[0069]如图7所示，所述PLC控制器的控制流程，包括如下步骤:
[0070]第一步:接通电源，通电复位对刀，三坐标轴移动到机床坐标原点，触摸屏上坐标显示清空为0，系统初始化，点动对刀，然后划线机复位到机床原点；即:检测划线头是否移动到位，直到划线头到位后，开始等待；[0071 ]第二步:在触摸屏上输入划线点坐标，判断采用自动控制或手动控制;如采用自动控制，则进行第三步;如采用手动控制，则手动设置运动速度，点动控制x、y、z轴运动、回转工作台及划线头的进给、启停，通过手动控制划线头在零件上划线，然后进入到判断是否完成划线的步骤；
[0072]第三步:驱动X轴、Υ轴传动装置快进到设定坐标点；
[0073]第四步:检测X轴、Υ轴传动装置是否到位？如X轴、Υ轴传动装置不到位，坐标有误差，则进行人工点动位置调整，如到位，则启动划线头；
[0074]第五步:控制Ζ轴进给传动装置向下运动，检测Ζ轴进给传动装置是否到位?如Ζ轴进给传动装置不到位，未达到待划线工件表面，进行点动进给划线；如第一点位划线完成，贝1JZ轴划线头抬起复位;然后直接进入到判断是否完成划线的步骤；
[0075]第五步:判断是否完成划线？如已完成，无其它坐标，则划线结束;如未完成，在同一平面还有其它待划线点位，则重复第三步到第五步重新划线；
[0076]第六步:判断是否对侧面进行划线？如需要，则驱动回转工作台旋转，人工旋转划线头90度自锁；
[0077]第七步:驱动Υ轴、Ζ轴传动装置快进到设定坐标点，划线头启动；
[0078]第八步:驱动X轴传动装置运动，实现X轴进给，划线完成后，Χ轴复位，划线结束。
[0079]本发明可以实现一次装夹可以完成5个平面的划线。最后，若划线点位于工件底部，需人工对其重新进行装夹、对刀。
【主权项】
1.一种基于PLC控制的工件钳工划线三维数控设备，其特征在于:包括机体、回转工作台、Z轴传动进给装置、划线装置、X轴传动装置、Y轴传动装置及PLC控制器，所述机体包括机体底座、导轨底座、横梁及横梁支柱，导轨底座置于机体底座两侧，X轴传动装置沿机体一侧导轨底座设置，横梁支柱通过X轴导轨置于机体底座两侧的导轨底座上，横梁置于横梁支柱上，横梁支柱带动横梁沿机体底座上的X轴导轨滑动，Y轴传动装置设置于横梁支柱上两横梁之间，Z轴传动进给装置安装于横梁上，与Y轴传动装置连接，划线装置安装于Z轴传动进给装置端，回转工作台置于机体底座上，所述PLC控制器分别连接X轴传动装置、Y轴传动装置、Z轴传动进给装置、回转工作台、划线装置，工作时，回转工作台上设置待划线零件，PLC控制器控制划线装置对应回转工作台上的零件划线。2.根据权利要求1所述的基于PLC控制的工件钳工划线三维数控设备，其特征在于:所述Z轴传动进给装置包括Z轴步进电机、Z轴导轨、Z轴丝杠、丝杠螺母、工作台、Z轴底座、Z轴导轨滑块、轴承及轴承支架，所述Z轴导轨两侧设置轴承支架，Z轴丝杠平行于Z轴导轨，通过滚动轴承安装于轴承支架上，与Z轴丝杠配合传动的丝杠螺母固定在工作台上，工作台两侧通过Z轴导轨滑块与Z轴导轨连接，Z轴丝杠一端连接在Z轴步进电机的输出轴上，通过Z轴丝杠带动工作台沿Z轴导轨滑动。3.根据权利要求2所述的基于PLC控制的工件钳工划线三维数控设备，其特征在于:所述划线装置包括划线头夹具、划线头、电机和旋转轴，划线头安装在划线头夹具一端，划线夹具另一端通过电机连接在Z轴传动进给装置的工作台的旋转轴上，电机的开关信号与PLC相连接，通过触摸屏控制实现划线头的开关。4.根据权利要求1所述的基于PLC控制的工件钳工划线三维数控设备，其特征在于:所述X轴传动装置包括X轴步进电机、X轴丝杠、丝杠螺母、X轴导轨及X轴导轨滑块，所述X轴步进电机输出轴端连接X轴丝杠，与X轴丝杠配合的丝杠螺母连接在X轴导轨滑块上，X轴导轨安装在机体两侧的导轨底座上。5.根据权利要求1所述的基于PLC控制的工件钳工划线三维数控设备，其特征在于:所述Y轴传动装置包括Y轴步进电机、Y轴丝杠、丝杠螺母、Y轴导轨及Y轴导轨滑块，所述Y轴步进电机输出轴端连接Y轴丝杠，与Y轴丝杠配合的丝杠螺母连接在Y轴导轨滑块上，Y轴导轨安装在两横梁上。6.根据权利要求1所述的基于PLC控制的工件钳工划线三维数控设备，其特征在于:所述X、Y、Z三轴的顶端和末尾处，其中限位开关分别位于X、Y、Z三轴的顶端和末尾处，编码器位于步进电机尾端，与步进电机同轴相连。指示灯、限位开关、编码器作为信号指示和反馈通路分别连接到PLC的输出端口和输入端口。7.根据权利要求1所述的基于PLC控制的工件钳工划线三维数控设备，其特征在于:还包括作为上位机的触摸屏，所述的触摸屏通过串行通信电缆与可编程控制器PLC相连，触摸屏的控制信号连接到PLC的输入端口，PLC输出三组脉冲信号分别连接到X轴步进电机、Υ轴步进电机和Ζ轴步进电机的驱动器。8.根据权利要求1所述的基于PLC控制的工件钳工划线三维数控设备，其特征在于:所述PLC控制器的控制流程，包括如下步骤: 第一步:接通电源，通电复位对刀，三坐标轴移动到机床坐标原点，，系统初始化;检测划线头是否移动到位，直到划线头到位后，开始等待； 第二步:判断采用自动控制或手动控制；如采用自动控制，则进行第三步；如采用手动控制，则直接手动控制划线头在零件上划线，然后进入到判断是否完成划线的步骤； 第三步:驱动X轴、Y轴传动装置快进到设定坐标点； 第四步:检测X轴、Y轴传动装置是否到位?如X轴、Y轴传动装置不到位，坐标有误差，则进行人工点动位置调整，如到位，则启动划线头； 第五步:控制Z轴进给传动装置向下运动，检测Z轴进给传动装置是否到位?如Z轴进给传动装置不到位，未达到待划线工件表面，进行点动进给划线;如第一点位划线完成，则Z轴划线头抬起复位;然后直接进入到判断是否完成划线的步骤； 第五步:判断是否完成划线？如已完成，无其它坐标，则结束；如未完成，在同一平面还有其它待划线点位，则重复第三步到第五步重新划线； 第六步:判断是否对侧面进行划线？如需要，则驱动回转工作台旋转，人工旋转划线头90度自锁； 第七步:驱动Y轴、Z轴传动装置快进到设定坐标点，划线头启动； 第八步:驱动X轴传动装置运动，实现X轴进给，划线完成后，X轴复位，划线结束。
【专利摘要】一种基于PLC控制的工件钳工划线三维数控设备，属于机械设备技术领域。包括机体、回转工作台、Z轴传动进给装置、划线装置、X轴传动装置、Y轴传动装置及PLC，所述机体的导轨底座置于机体底座两侧，X轴传动装置沿导轨底座设置，横梁支柱通过X轴导轨置于机体的导轨底座上，横梁置于横梁支柱上，横梁支柱带动横梁沿机体底座上的X轴导轨滑动，Y轴传动装置设置于两横梁之间，Z轴传动进给装置安装于横梁上，与Y轴传动装置连接，划线装置安装于Z轴传动进给装置端，回转工作台置于机体底座上，工作时，PLC控制划线装置对应回转工作台上的零件划线。本发明划线精度较高，达到0.01mm。
【IPC分类】G09B25/02
【公开号】CN105489104
【申请号】CN201510789093
【发明人】张云凤, 韩巍, 赵民, 肖强
【申请人】沈阳建筑大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年11月17日
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