前言

組合機床是針對特定工件，進行特定加工而設計的一種高效率自動化專用加工設備，這類設備大多能多刀同時工作，并且具有自動循環(huán)的功能。組合機床是隨著機械工業(yè)的不斷發(fā)展，由通用機床、專用機床發(fā)展起來的。通用機床一般用一把刀具進行加工，自動化程度低、輔助時間長、生產效率低，但通用機床能夠重新調整，以適應加工對象的變化。專用機床可以實現(xiàn)的多刀切削，自動化程度較高，結構較簡單，生產效率也較高。但是，專用機床的設計，制造周期長，造價高，工作可靠性也較差。專用機床是針對某工件的一定工序設計的，當產品進行改進，工件的結構，尺寸稍有變化時，它就不能繼續(xù)使用。在綜合了通用機床、專用機床優(yōu)點的基礎上產生了組合機床。

組合機床通常由標準通用部件和加工專用部件組合構成，動力部件采用電動機驅動或采用液壓系統(tǒng)驅動，由電氣系統(tǒng)進行工作自動循環(huán)的控制，是典型的機電或機電液一體化的自動加工設備。常見的組合機床，標準通用部件有動力滑臺各種加工動力頭以及回轉工作臺等，可用電動機驅動，也可用液壓驅動。各標準通用動力部件組合構成一臺組合機床時，該機床的控制電路可由各動力部件的控制電路通過一定的連接電路組合構成。

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

1、液壓系統(tǒng)特性簡述

隨著液壓技術的不斷發(fā)展與進步和應用領域與范圍的不斷擴大，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)行機構預定動作循環(huán)和限于系統(tǒng)靜態(tài)性能的系統(tǒng)設計遠遠不能滿足要求。因此，現(xiàn)代液壓系統(tǒng)設計研究人員對系統(tǒng)動態(tài)特性進行研究，了解和掌握液壓系統(tǒng)動態(tài)工作特性與參數(shù)變化，以提高系統(tǒng)的響應特性、控制精度以及工作可靠性，是非常必要的。

液壓系統(tǒng)動態(tài)特性是其在失去原來平衡狀態(tài)到達新的平衡狀態(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)各參變量隨時間變化性能的好壞，決定系統(tǒng)動態(tài)特性的優(yōu)劣。系統(tǒng)動態(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情況）以及過渡過程品質（執(zhí)行、控制機構的響應品質和響應速度）問題。

液壓系統(tǒng)動態(tài)特性的研究方法主要有傳遞函數(shù)分析法、模擬仿真法、實驗研究法和數(shù)字仿真法等。數(shù)字仿真法是利用計算機技術研究液壓系統(tǒng)動態(tài)特性的一種方法。先是建立液壓系統(tǒng)動態(tài)過程的數(shù)字模型——狀態(tài)方程，然后在計算機上求出系統(tǒng)中主要變量在動態(tài)過程的時域解。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)動態(tài)過程直接、全面的了解，使研究人員在設計階段就可預測液壓系統(tǒng)動態(tài)性能，以便及時對設計結果進行驗證與改進，保證系統(tǒng)的工作性能和可靠性，具有精確、適應性強、周期短以及費用低等優(yōu)點。

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

伺服閥是具有復雜高階非線性特性的器件。在實際中，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動態(tài)仿真模型

3、硬件設計

3.1結構選擇

整體式PLC：整體式PLC的每一個點的平均價格比模塊式的便宜，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功能擴展靈活方便。在點數(shù)上，輸入點數(shù)，輸出點數(shù)的比例，模塊的種類方面選擇余地大，且維修方便，一般用于較復雜的控制系統(tǒng)。

對于組合機床，選用整體式PLC較好。

3.2I/O點選取原則

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

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

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

根據(jù)實際PLC機型點數(shù)，選用FX2N-64MR主機和一個16點的輸入擴展模塊（FX-16EX）這樣共有輸入點（32+16）。輸出點就是主機的32。足夠可以滿足42個輸入，27個輸出的要求，而且留有一定余量。

3.3輸入輸出設計

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

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

根據(jù)本設計選用的PLC機型，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)操作面板設計

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。本設計中，輸入元件共42個其中按鈕SB24個、檢測元件YJ5個、行程開關SQ12個，選擇開關1個，基于對機床工作方式的控制要求，面板上應設有選擇開關1SA、預停按鈕；鑒于手動調整方式下，相應按鈕發(fā)出控制命令，驅動組合機床相應部件運動，因此面板上應設相應按鈕5SB-24SB，鑒于對組合機床的啟動，停止及潤滑故障的處理控制，應在操作制面板上設有啟動按鈕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，抗干擾性強等特點，用它來控制四工位組合機床這樣復雜的生產設備，是理想的選擇。PLC的采用,降低了機床的故障率,節(jié)省了大量的維修費用,提高了整機的可靠性，保證了工件的精度要求。在機床數(shù)控系統(tǒng)設計中占有重要的地位，該機床經過長期運行表明，整個系統(tǒng)設計合理，控制精度高，運行可靠，提高了生產的自動化水平，減小了操作人員的勞動強度。

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