无心外园磨床自动上料装置的 PLC 控制
摘要：针对汽门杆无心外园磨床需要人工送料，没有工件计量和测量提示报警，也不能对螺杆和滑
板进行自动加油等情况。在这里介绍我们已设计开发好的自动上料装置，并重点分析 PLC 控制系统程序设
计的过程和要求。目前上料装置已成功地实现了自动化单机生产，并在实际应用中取得良好的经济效益。
关键词：汽门杆；无心外园磨床；自动上料装置；电磁阀；PLC 控制
1 前言
汽门是发动机的重要组成部件，让空气或混合气进入的称为进气汽门，让燃烧后的废气排出的称为排
气汽门。汽门加工质量的好坏，直接影响发动机的性能，而汽门杆无心外园磨床是汽门加工的专用设备之
一，它负责研磨汽门的细杆部分，汽门彩图如图一。因为该磨床是半自动设备，需要人工送料，没有自动
报警和自动计量等系统，操作人员的劳动强度大，并存在较大的无法避免的操作安全隐患，而且操作人员
的素质决定了日产量和工件的研磨质量，因此，对磨床进行自动化改造势在必行。这样不但可以彻底解决
以上问题，还可以提高生产效率，创造更好的经济效益。
2 改造前磨床的结构和工作过程
磨床的结构示意图及实物彩
图见图一，其工作过程是：
首先启动研磨砂轮，延时后自动开启磨
削液，研磨进刀系统解锁。按下进刀启动按
钮，经可调的延时后，进给压轮开始快速进
刀（在这个时间段里，操作人员必须完成用
手拿着汽门装夹位把其放进磨床），碰到减
速弹簧后，变为磨削工件的研磨加工慢速行
程，进给压轮进刀完成后，压下行程开关，
启动时间继电器计时（可调，为最后研磨），
到点后，则要快速退刀，回到原点，压下行
程开关，排料杆顶出后用弹簧力复位。等待数秒（可调）后，无论操作人员是否放置工件，机器都自动进
入第二个工作周期，如此不断地循环工作，直到人工干预停止，整个控制过程原设计为继电器控制。
从上面的操作流程可以看出：加工工件的数量与质量完全由操作员的素质决定，而且必须每人操作
一台机，操作人员注意力要高度集中，稍有疏忽就会造成工件不合格甚至引起生产安全问题。
图一
3 无心外园磨床的自动化改造
改造方案
在操作员站立侧加装代替人手的能旋转 180°的机械放料手，其示意和实物图见图二。
(1)加装的自动上料装置，必须有三种控制模式：
手动调试模式：用于手动测试各执行机构能否单独正常工作，能否正确地完成工件的传送过程，保证工件
准确地放置到相应位置。
半自动加工模式：为了满足工件小量生产或是样板工件的加工要求，保留了半自动加工模式，这是极少使
用的加工模式。
全自动加工模式：全自动加工模式是关键所在，是工厂正常生产与工件加工质量和数量的根本保证，这是
机器长期工作的加工模式。
(2)改装后的无心外园磨床电气控制分为两大部分：第一大部分是砂轮转动控制系统，采用三菱
MR-J2S-200A 伺服放大器和 HC-SFS203 伺服电机，使用速度控制模式工作，用电位器调整砂轮转速。
图二
它是独立系统，与 PLC 控制无关。第二部分是自动上料装置的控制，其控制构成的方式是：以 PLC 为控
制中心，以电磁阀的控制线圈为 PLC 的输出执行元件，再由电磁阀控制气缸和油缸为最终执行元件，以及
控制 CL 电机的正、反转继电器和灯光报警器等形成了整个按 PLC 程序去执行相应动作的机构系统，以达
到生产控制要求，并最终完成生产任务。
(3) 改造后的无心外园磨床的工作过程如下：
操作员把工件放满导入槽 在自动模式下按启动按钮 料架检测有无工件
工件无 报警 操作员放入工件后，自动转到进料工步
工件有 进料 工件固定 1 PA 夹持工件向下转 工件转移到 CL 转臂并进行固定 2
PA 放出工件后向上返回 返回到原点后等待下一周期或复位
CL 夹持工件进
CL 夹持工件在中间位 CL 夹持工件再进
CL 在前端放下工件 CL 退回原点等待下一周期
LB 进刀 LB 退刀 排料 排料确认并返回原点等待下一周期
PLC 控制系统的输入/输出分配
本系统选用 FX1N-40MR 可编程控制器，I/O 分配图如图三。SB1 是自动和半自动加工时的启动
按钮，也是测量位暂停，工件经测量合格后，再次启动工作的启动按钮。SB2 是自动和半自动加工时
的停止按钮，工件处于加工过程中按下，机器则必须完成本次加工后才能停止。X5～X15 的是手动
调试开关，X16～X27 的是分布机器各检测位置的传感器，Y1～Y6 及 Y15～Y17 接电磁阀的线圈
YA1～YA9，均使用 220V 交流电，Y10、Y11、Y13 接 220V 的继电器，Y12、Y14 接 220V 的红色、
黄色灯光报警器。
图三
PLC 控制程序设计
程序设计的关键在于自动/半自动/手动的程序结构设计、全自动控制的顺序功能图设计、半自动顺序
功能图设计，具体见图四和图五。但由于全自动控制程序必要的互锁和运动机构执行的先后顺序锁定比较
复杂，在编程时，除了考虑顺序功能图中的注解事项外，还要解决以下的问题：
（1）在进行模式控制转换时，因 S0～S999 都是保持用，因此每次模式转换都要对用到的状态继电器
S、计数器 C 复位。
（2）启动按钮 SB1 的锁定要求，在半自动和全自动加工模式下，当系统已处于加工过程，此时，尽
管再次按动 SB1，系统不受任何影响。也就是必须让 SB1 按下一次启动程序后就立即无效，只有停止按
钮 SB2 和模式转换按钮 SA1 才能解除。
（3）PA 转臂向下转的条件是只有在 CL 转臂到位和固定 2 气缸缩回后，PA 转臂才能夹着工件向下转，
把工件转送给 CL 转臂。
（4）CL 转臂转动位置与转动的条件是程序设计的重点与难点所在。首先 CL 转臂在 A 位把 PA 转臂
送来的工件用固定 2 气缸压紧后，CL 转臂则顺时针转动，如果是第一个工件则直接送到 C 处的磨削加工
位，从第二个工件开始，则会停留在 B 位，等待 LB 磨削前一个工件完成并在排料和出料都已确认后，再
从 B 位转到 C 位，在 C 位放下工件后回到 A 位取件。在 CL 转臂转到 B 位的过程中，PA 转臂则往上返回，
图四
图三
图四
进行工件的装夹，完成后等待 CL 转臂回到 A 位取件，如此不断循环。
而 CL 转臂从 B 位向 C 位转动，第一个工件用 C0 常闭直接转移，从第二个开始则要满足以下条件：①
无料报警不动作。①在 LB 退刀到位后，排料杆弹出并得到确认。①如果工件被弹出则要碰到出料确认板，
从而实现出料确认条件。①测量暂停/连续工作选择开关 SA2 要在连续工作位。四个条件确认 CL 转臂则带
着工件从 B 向 C 运动并在 C 处放下工件，然后返回 A 位装夹工件。
另外，测量暂停位的作用是：磨削一定数量的工件后，由于砂轮直径尺寸变小，则需要测量工件的
加工尺寸是否合格，因此，在这里要设置测量暂停/连续工作选择开关 SA2，当选择测量暂停位时，CL 转
臂停在 B 位，这时对上一次加工的工件进行测量，调整好进给压轮后，把 SA2 打到连续工作位，再按下
启动按钮 SB1，则 CL 转臂带着工件从 B 向 C 运动并在 C 处放下工件，然后返回 A 位装夹工件。
由于以上几个条件确认的时间不可能也不应该同时发生，所以必须设计转换电路将已产生过的条件记
忆，等待所有条件满足后则转步。
（5）LB 进刀的条件，在 CL 转臂带着工件从 B 向 C 运动并在 C 处放下工件，然后返回 A 位装夹工
件的过程中，LB 进刀要在 CL 转臂离开 C 位返回 A 位的中途经过 B 位时启动，这是 LB 进刀必须满足的
条件，为的是防止 LB 进给压轮压到 CL 转臂上而发生安全事故。
（6）排料时间的要求，排料时间不能太短也不能太长，时间太短，则排料动作不充分，使工件弹出
不到位，不能完成出料确认。时间太长，则排料针未复位 CL 已拿着工件到达，造成工件放不下去，经过
调试应控制在 ～ 秒内为佳。由于篇幅所限，具体程序略。
4 结束语
磨床加装自动上料装置并实际投入运行后该技术革新给生产带来的巨大变化已得到证明，不但使单
机日产量数倍提高，同时大幅减小了机器操作员人数，由原来的一人一机的操作模式变为一人四机的监控
模式，操作者只需完成加料、测量、进刀调节等机器报警提示的间歇性任务，大大地降低了操作者的劳动
强度，彻底消除安全生产隐患。该装置具有调试简单、操作方便、使用安全、运行可靠、效率高、故障率
低、工件加工效果好等特点，同时由于软硬件均采用合理化结构和布局，方便了工程技术人员的安装、调
试和维修，为工厂带来了良好的经济效益，也为同类型设备的自动化改造提供范例。
参考文献
[1]三菱电机. FX1S，FX1N，FX2N，FX2NC 编程手册 2002.
[2]三菱电机. FX1N 系列微型可编程控制器使用手册 2000.
[3]中华人民共和国国家标准. 电气制图[S]. 北京：中国标准出版社，1987.
[4]廖常初. PLC 基础及应用[M]. 北京： 机械工业出版社. 2003.
图五
