基于搖臂鉆床組態(tài)軟件模擬平臺(tái)的設(shè)計(jì)

劉興華 蘇盈盈 葛繼科 楊滿(mǎn)仁

（1.重慶科技學(xué)院，重慶 401331；2.成都瑞鑫石油技術(shù)咨詢(xún)有限公司， 成都 610516)

基于搖臂鉆床組態(tài)軟件模擬平臺(tái)的設(shè)計(jì)

劉興華1蘇盈盈1葛繼科1楊滿(mǎn)仁2

（1.重慶科技學(xué)院，重慶 401331；2.成都瑞鑫石油技術(shù)咨詢(xún)有限公司， 成都 610516)

利用SIMATIC WinCC組態(tài)軟件，設(shè)計(jì)了Z3050搖臂鉆床平臺(tái)，模擬出機(jī)床運(yùn)行過(guò)程的各種活動(dòng)部件位置與機(jī)床內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)控制電路輸入輸出的電信號(hào)邏輯信息。從外在機(jī)械硬件結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到內(nèi)在電氣邏輯控制，逐一進(jìn)行仿真、調(diào)試、運(yùn)行，效果理想，克服了目前搖臂鉆床繼電控制電路模擬實(shí)物平臺(tái)中，其本身不能形象地模擬機(jī)床運(yùn)行過(guò)程中實(shí)際各個(gè)部件的運(yùn)行情況等缺點(diǎn)，從而準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)機(jī)床上各部件的空間位置信息，為維修電工實(shí)訓(xùn)提供了一定的拓展空間。

Z3050；模擬；WinCC

在各種鉆床中，搖臂鉆床操作方便、靈活，使用范圍廣，是一種孔加工設(shè)備，可以用來(lái)進(jìn)行鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔、攻絲及修刮端面等多種形式的加工。特別適用于帶有多孔大型工件的孔加工。

針對(duì)Z3050搖臂鉆床繼電控制電路模擬實(shí)物平臺(tái)不能模擬機(jī)床運(yùn)行過(guò)程中實(shí)際各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)行情況，而且平臺(tái)上行程開(kāi)關(guān)的人工扳動(dòng)不能準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)搖臂鉆床上各部件的空間位置信息和各種液壓裝置推動(dòng)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)部件放松與夾緊信息。利用組態(tài)軟件圖形化界面編程模擬可以模擬出機(jī)床運(yùn)行過(guò)程的各種機(jī)床本身活動(dòng)部件位置及各節(jié)點(diǎn)控制電路輸入輸出的電信號(hào)信息，使整個(gè)機(jī)床實(shí)物本身和控制電路有機(jī)地結(jié)合在一起，如同一個(gè)真正的機(jī)床展現(xiàn)。

Z3050搖臂鉆床模擬板平臺(tái)存在較多缺點(diǎn)，如需要人工手動(dòng)設(shè)置較多，頻繁的設(shè)故與排故后易引起節(jié)點(diǎn)的故障，影響機(jī)床的使用壽命，而且模擬板上存在能危及人身安全的三相380/220V電壓等等。因此，基于組態(tài)軟件的搖臂鉆床模擬平臺(tái)設(shè)計(jì)研究就顯得尤為重要了。

1 Z3050搖臂鉆床原理及電路分析

Z3050搖臂鉆床外觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。搖臂可繞立柱回轉(zhuǎn)和升降，主軸可方便地在水平面上調(diào)整位置，使刀具對(duì)準(zhǔn)被加工孔軸心，而工件則固定不動(dòng)。因此，便于加工大而重的工件上的孔。

圖1 Z3050外觀結(jié)構(gòu)

主軸箱可在搖臂上左右移動(dòng)，并隨搖臂繞立柱回轉(zhuǎn)±180°。搖臂還可沿外柱上下升降，以適應(yīng)加工不同高度的工件。較小的工件可安裝在工作臺(tái)上，較大的工件可直接放在機(jī)床底座或地面上。

當(dāng)進(jìn)行加工時(shí)，由夾緊裝置將主軸箱緊固在搖臂導(dǎo)軌上，外立柱緊固在內(nèi)立柱上，搖臂緊固在外立柱上，然后進(jìn)行鉆削加工。鉆削加工時(shí)，鉆頭一邊進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切削，一邊進(jìn)行縱向進(jìn)給。

Z3050搖臂鉆床電氣控制原理如圖2所示，從主電路和控制電路兩方面著手進(jìn)行分析。

圖2 Z3050電氣控制原理圖

主電路分析：M1為主軸電動(dòng)機(jī)，由接觸器KM1控制。主軸的正反轉(zhuǎn)是另一套由主軸電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)齒輪泵送出壓力油的液壓系統(tǒng)，經(jīng)“主軸變速、正反轉(zhuǎn)及空檔”操作手柄來(lái)獲得的。M1由熱繼電器FR1作過(guò)載保護(hù)。M2為搖臂升降電動(dòng)機(jī)，正反轉(zhuǎn)接觸器KM2、KM3控制實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)，因搖臂移動(dòng)是短時(shí)的，不用設(shè)過(guò)載保護(hù)，但與搖臂的放松和夾緊之間有一定的配合關(guān)系，這由控制電路去保證。M3為液壓泵電動(dòng)機(jī)，由接觸器KM4、KM5控制實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)，設(shè)有熱繼電器FR2作過(guò)載保護(hù)。M4為冷卻泵電動(dòng)機(jī)，由開(kāi)關(guān)QS2控制起動(dòng)、停止。三相電源由低壓斷路器QS1控制。

控制電路分析：

（1）主軸電動(dòng)機(jī)控制

由按鈕SB1、SB2與接觸器KM1構(gòu)成主軸電動(dòng)機(jī)起動(dòng)-停止控制電路，M1啟動(dòng)后，指示燈HL3亮，表示主軸電動(dòng)機(jī)在旋轉(zhuǎn)。

（2）搖臂升降及放松、夾緊控制

主軸箱轉(zhuǎn)盤(pán)上的兩個(gè)按鈕SB5、SB6分別為主軸箱及立柱松開(kāi)按鈕和夾緊按鈕。搖臂鉆床工作時(shí)搖臂應(yīng)夾緊在外立柱上，發(fā)出搖臂移動(dòng)信號(hào)后，須先松開(kāi)夾緊裝置，當(dāng)搖臂移動(dòng)到位后，夾緊裝置再將搖臂夾緊。本電路能自動(dòng)完成這一過(guò)程。

2 搖臂鉆床模擬平臺(tái)HMI設(shè)計(jì)

WinCC支持直接引入 AutoCAD圖紙和Windows元文件，可在16個(gè)不同的層面上作圖[4-5]。首先創(chuàng)建變量，當(dāng)變量創(chuàng)建完成后，對(duì)過(guò)程事件進(jìn)行組態(tài)編程。一般對(duì)象編程工作應(yīng)用在對(duì)象鼠標(biāo)點(diǎn)擊動(dòng)作上，屬性改變，用相應(yīng)的變量進(jìn)行事件動(dòng)作的組態(tài)編程。下面是對(duì)啟動(dòng)按鈕SB2和主軸箱對(duì)象的組態(tài)編程：

（1）在按鈕SB1的對(duì)象屬性對(duì)話(huà)框中“事件”→“鼠標(biāo)”→“按左鍵”中創(chuàng)建一個(gè)C動(dòng)作。C代碼如下:

（2）在主軸箱的對(duì)象屬性對(duì)話(huà)框中“屬性”→“幾何”→“位置X”創(chuàng)建一個(gè)C動(dòng)作。C代碼如下:

編程調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)：在創(chuàng)建屬性C動(dòng)作代碼組態(tài)過(guò)程畫(huà)面的過(guò)程對(duì)象時(shí)，觸發(fā)器觸發(fā)周期對(duì)系統(tǒng)的性能、實(shí)時(shí)性和減少系統(tǒng)的運(yùn)算負(fù)荷影響較大。一般觸發(fā)周期選250ms和500ms，在實(shí)時(shí)性和不致增加較大系統(tǒng)負(fù)荷的情況下得到一個(gè)較好的平衡點(diǎn)。具有相同屬性的事件，如相同過(guò)程對(duì)象的顏色的改變，相同方向相同速度移動(dòng)的軌跡等，可以通過(guò)創(chuàng)建全局C動(dòng)作函數(shù)來(lái)減少代碼，并減輕系統(tǒng)負(fù)荷特性。這在代碼的重用性方面體現(xiàn)出較好的優(yōu)點(diǎn)。

另外在屬性事件組態(tài)中，對(duì)象的動(dòng)態(tài)化類(lèi)型的系統(tǒng)性能依次從低到高為C動(dòng)作→動(dòng)態(tài)對(duì)話(huà)框→變量連接→直接連接→動(dòng)態(tài)向?qū)?。屬性有多種動(dòng)態(tài)化類(lèi)型可供選擇利用，可根據(jù)動(dòng)作和事件驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜程度來(lái)決定采用哪一種對(duì)象的動(dòng)態(tài)化類(lèi)型。其中，C動(dòng)作由于利用ANSI-C腳本語(yǔ)言進(jìn)行代碼編譯，功能非常強(qiáng)大，靈活性高，代碼重用性強(qiáng)，因此在復(fù)雜的動(dòng)作事件驅(qū)動(dòng)中采用C動(dòng)作無(wú)疑可以減輕組態(tài)的工作強(qiáng)度。

3 仿真運(yùn)行及分析

當(dāng)WinCC工程項(xiàng)目組態(tài)完成后就可以激活運(yùn)行系統(tǒng)，接著可以對(duì)HMI進(jìn)行人機(jī)交互。

以主軸箱左右運(yùn)動(dòng)為例，圖3(a)為主軸箱通過(guò)左右手輪旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)在X水平位置上向左移動(dòng)，直到左端點(diǎn)極限位置；圖3(b)為主軸箱通過(guò)左右手輪旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)在X水平位置上向右移動(dòng)，直到右端點(diǎn)極限位置。

主電路回路得電時(shí)用三相電路紅、綠、藍(lán)區(qū)分示出?？刂苹芈分甘緹簦^電器得電時(shí)統(tǒng)一用藍(lán)色區(qū)分示意。

圖3 主軸箱左右運(yùn)行

初始上電運(yùn)行：合上總電源QS1開(kāi)關(guān)，相應(yīng)的交流接觸器線(xiàn)圈得電，主三相電路回路用紅、綠、藍(lán)三種顏色加以區(qū)分。

依此類(lèi)推，可以完成主軸電機(jī)的啟動(dòng)，搖臂上升、下降，立柱和主軸箱的放松、夾緊及啟動(dòng)冷卻泵電動(dòng)機(jī)等功能。

4 結(jié) 論

Z3050搖臂鉆床模擬平臺(tái)的設(shè)計(jì)成功實(shí)現(xiàn)了搖臂鉆床各種操作的模擬，實(shí)現(xiàn)了搖臂的上升、下降，主軸箱的左、右移動(dòng)，立柱與主軸箱的放松、夾緊等功能，展現(xiàn)了機(jī)床內(nèi)部電氣控制原理間的電氣邏輯關(guān)系。更重要的是，對(duì)于機(jī)床內(nèi)部的主電路和控制電路邏輯關(guān)系用電路原理圖的方式組態(tài)成一個(gè)控制界面，模仿PLC中的“能流”方法，每當(dāng)一個(gè)電氣節(jié)點(diǎn)得電導(dǎo)通時(shí)都形象地給出線(xiàn)端的顏色變化示意，便于快速、深入掌握控制電路的邏輯關(guān)系和機(jī)床運(yùn)行情況的電氣控制結(jié)合機(jī)理，可操作性強(qiáng)。

[1]王如桂.電工實(shí)用線(xiàn)路與維修實(shí)例[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[2]苑尚尊.維修電工實(shí)踐教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009.

[3]趙青.電工識(shí)圖[M].北京：電子工業(yè)出版社,2004.

[4]廖常初.西門(mén)子人機(jī)界面(觸摸屏)組態(tài)與應(yīng)用技術(shù)：第2版[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[5]梁綿鑫.WinCC基礎(chǔ)及應(yīng)用開(kāi)發(fā)指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

Configuration Software Simulation Platform Design Based on Radial Drilling Machine

LIU Xinghua1SU Yingying1GE Jike1YANG Manren2
（1.Chongqing University of Science and Technology,Chongqing 401331； 2.Chengdu Xinrui Petrochemical Technology Consulting Limited Company,Chengdu 610516）

Mainly taking Z3050 radial drilling as an example in this paper,using SIMATIC WinCC configuration software to design the machine Z3050 radial drilling simulation platform,all kinds of activities position when the machine running and signal logic information of input and output about machine tool parts inside each node control circuit are simulated.From external mechanical structure movement to the inner electrical logic control,detail by detail simulation,debugging and operation,the effect is ideal,and it can overcome the problem that on relay control circuit of radial drilling simulation platform which it cannot simulate the operation situation of actual parts when the machine running.Thus it can be accurately recurrent space position information of all parts,providing a certain expanding space for radial drilling training.

Z3050；simulation；WinCC

TG522

A

1673-1980(2012)05-0126-03

2012-05-25

重慶市教育委員會(huì)科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（KJ111417，CK2011Z01）；重慶市自然科學(xué)基金項(xiàng)目（CSTC2010BB2285）

劉興華（1974-），女，碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)殡姎鈧鲃?dòng)與控制科學(xué)。