趙繼宏，孟瑞峰，郭建東

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

某廠采用手動(dòng)鉆床加工藥條，首先由工人用工具（直尺和圓規(guī)）對(duì)孔定位，然后采用手動(dòng)鉆床加工，這個(gè)過(guò)程既費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且藥條的定位精度不高，導(dǎo)致產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量都不能達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。同時(shí)，藥條加工過(guò)程對(duì)人體也會(huì)造成負(fù)面影響，員工作業(yè)的安全性也不高。為此，開發(fā)了數(shù)控鉆床進(jìn)行藥條的加工，藥條的中心直接通過(guò)鉆床的自定心夾具定位，使加工效率大幅提高，且加工精度要高于人工定位的精度。

1 鉆孔機(jī)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)控鉆床是根據(jù)用戶要求設(shè)計(jì)的非標(biāo)裝置，主要達(dá)到對(duì)藥條的鉆孔加工，一次裝夾，完成11根藥條的自動(dòng)加工（藥條根數(shù)取決于Y軸的行程，根據(jù)用戶要求可以變化）。數(shù)控鉆床結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，它主要由X和Y軸步進(jìn)電機(jī)、Z軸帶電磁制動(dòng)的交流伺服電機(jī)、滾珠絲杠螺母副、滾動(dòng)導(dǎo)軌等組成。Y軸完成水平方向的進(jìn)給或后退，Z軸帶著主軸完成垂直方向的鉆削進(jìn)給，X軸完成前后方向的進(jìn)給。藥條通過(guò)自定心夾具由人工輔助夾緊在專用工裝上（藥條尺寸變化不會(huì)影響鉆孔的中心位置），再將專用工裝定位裝夾在工作臺(tái)上。Y軸和Z軸通過(guò)底座支撐在立柱上，X軸位于水平面上。每根軸可以單獨(dú)運(yùn)動(dòng)，也可以任意兩軸或三軸同時(shí)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)模式取決于加工對(duì)象，最終通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)?？紤]到主軸轉(zhuǎn)速不需要頻繁調(diào)節(jié)，采用ZJ-3104高速微型臺(tái)鉆主軸和電機(jī)組件，其額定功率為180W，鉆夾頭夾持直徑范圍為0.1mm～4mm，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速為0r/min～10 000r/min，通過(guò)旋鈕可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。

由于本數(shù)控設(shè)備為點(diǎn)位控制，只需要較高的定位精度，故各個(gè)軸的驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用經(jīng)濟(jì)型步進(jìn)電機(jī)和交流伺服電機(jī)來(lái)控制，性價(jià)比較高。

由于每次加工的11根藥條的截面大小不同、長(zhǎng)度相同，所以需要開發(fā)一套自定心的多位夾具，不管截面多大的藥條，其中心線均可被夾具固定在同一位置。這套夾具通過(guò)圓銷固定在X軸工作臺(tái)上，夾具的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖1 數(shù)控鉆床結(jié)構(gòu)示意圖

圖2是夾具的正面剖視圖，夾具中每個(gè)藥條的兩側(cè)均有1個(gè)勾狀?yuàn)A板，勾狀?yuàn)A板兩端由帶彈簧的導(dǎo)向柱固定，導(dǎo)向柱安裝在夾具底座前后方的兩排導(dǎo)向槽內(nèi)，導(dǎo)向柱上方是帶彈簧的垂直頂桿，垂直頂桿由兩個(gè)桿、一個(gè)彈簧組成，其中彈簧夾在兩桿之間，整個(gè)垂直頂桿安裝在彈簧座上。垂直頂桿上方的零件是偏心套環(huán)，偏心套環(huán)被套在軸上，軸的兩端安裝在軸承座上，其中從軸承座延伸出的一端安裝皮帶輪，另一端安裝手動(dòng)鎖緊輪，兩軸皮帶輪的直徑大小一樣，構(gòu)成一個(gè)同步傳動(dòng)裝置，一個(gè)皮帶輪帶有轉(zhuǎn)動(dòng)手柄。

圖2 夾具的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

2 數(shù)控鉆床的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)是數(shù)控鉆床的核心，本機(jī)選擇了主從控制模式，控制系統(tǒng)電氣原理圖見(jiàn)圖3。鉆床的X軸和Y軸選用步進(jìn)電機(jī)，Z軸選用伺服電機(jī)。

上位機(jī)（工控機(jī)）通過(guò)組態(tài)界面對(duì)各個(gè)軸的電機(jī)進(jìn)行控制，可向下位機(jī)發(fā)送位置和速度命令。根據(jù)上位機(jī)的命令，下位機(jī)便產(chǎn)生脈沖序列，所產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)和頻率即為控制電機(jī)的位置和速度指令。步進(jìn)電機(jī)和交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器根據(jù)接收到的脈沖信號(hào)，產(chǎn)生多節(jié)拍脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而完成運(yùn)動(dòng)。

圖3 控制系統(tǒng)電氣原理圖

3 數(shù)控系統(tǒng)的配置

用戶在隔離環(huán)境或遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的操作間，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“藥條自動(dòng)鉆孔機(jī)控制面板”上的對(duì)應(yīng)按鈕，就會(huì)完成相應(yīng)的動(dòng)作。如藥條已夾緊在底座上，只需點(diǎn)擊一下“鉆孔啟動(dòng)”軟按鈕，即可完成11根藥條全部孔的加工。遠(yuǎn)控操作面板如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)控操作面板

數(shù)控鉆床3個(gè)軸工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度在一定范圍內(nèi)可以無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，點(diǎn)擊控制面板上的“進(jìn)給速度設(shè)定”對(duì)話框后，就進(jìn)入速度調(diào)節(jié)界面，用鼠標(biāo)拖動(dòng)對(duì)應(yīng)軸的“拉條塊”，速度值便寫到PLC的數(shù)據(jù)寄存器中，然后PLC通過(guò)程序?qū)懭攵ㄎ荒K，定位模塊改變發(fā)生脈沖頻率，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度發(fā)生變化。如需要查詢某一時(shí)刻的速度信息，可點(diǎn)擊控制面板上的“歷史曲線”對(duì)話框，便進(jìn)入歷史曲線面板，改變時(shí)間，便可得到速度與時(shí)間的關(guān)系曲線。也可點(diǎn)擊電機(jī)“數(shù)據(jù)查詢？”對(duì)話框，從而得到速度數(shù)據(jù)。

4 編程前參數(shù)的設(shè)置

本項(xiàng)目編程之前需要了解定位模塊PGU、交流伺服驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的使用方法，對(duì)其設(shè)置正確的參數(shù)。

4.1 PGU參數(shù)的設(shè)置

PGU是PLC的擴(kuò)展模塊，它主要用來(lái)控制各個(gè)軸的工作臺(tái)做定位運(yùn)動(dòng)，同時(shí)設(shè)置定位運(yùn)動(dòng)的最大速度、最小速度、運(yùn)行速度、電機(jī)調(diào)試的速度、定位的距離以及各種操作模式。PGU內(nèi)部有30個(gè)緩沖寄存器，每個(gè)緩沖寄存器有16位，參數(shù)范圍大的用2個(gè)緩沖寄存器存放數(shù)據(jù)，參數(shù)范圍較小的用1個(gè)緩沖寄存器存放數(shù)據(jù)，它的寄存器用符號(hào)BFM＃和數(shù)字來(lái)表示。

BFM＃0，BFM＃1，BFM＃4，BFM＃5，BFM＃6，BFM＃7，BFM＃8，BFM＃9，BFM＃10，BFM＃11是各種工作模式速度的設(shè)置，這10個(gè)寄存器的值均由PLC寫入。BFM＃3是PGU工作方式的定義，每位不同的值分別代表不同的含義，需要注意的是b8位的設(shè)置，b8位是脈沖輸出格式設(shè)置，這個(gè)設(shè)置一定要和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器及交流伺服啟動(dòng)器的設(shè)置一致，否則會(huì)導(dǎo)致三軸的電機(jī)不能正常正反轉(zhuǎn)動(dòng)。BFM＃12是工作臺(tái)執(zhí)行回原點(diǎn)操作，碰到近點(diǎn)開關(guān)后，回原點(diǎn)之前接收零點(diǎn)信號(hào)的數(shù)目設(shè)置，對(duì)于沒(méi)有反饋信號(hào)的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，這個(gè)設(shè)置為0即可，對(duì)于閉環(huán)控制的交流伺服電機(jī)，如果BFM＃12設(shè)置不為0，PGU定位模塊的PG0＋和PG0－端子必須使用，這樣工作臺(tái)碰到近點(diǎn)開關(guān)后，PGU接受的零點(diǎn)信號(hào)達(dá)到BFM＃12的值時(shí)，工作臺(tái)立刻停止，該位置即為原點(diǎn)。原點(diǎn)位置的坐標(biāo)值由各個(gè)軸PGU的BFM＃14和BFM＃13來(lái)設(shè)置，一般數(shù)控鉆床設(shè)置為0值，這樣方便其他位置參考。BFM＃15是加減速時(shí)間的設(shè)置。定位模塊的操作模式有13種，比如回原點(diǎn)操作模式、單速定位操作模式、雙速定位操作模式等。操作模式由BFM＃25來(lái)設(shè)置，寄存器的每一位代表一個(gè)操作模式，在程序中通過(guò)FROM指令把繼電器的值送到PGU的BFM＃25中，PGU將執(zhí)行相應(yīng)的操作模式。本設(shè)計(jì)主要用到3個(gè)操作模式：回原點(diǎn)操作模式、單速定位操作模式和JOG正反轉(zhuǎn)模式。JOG正反轉(zhuǎn)模式用來(lái)調(diào)試3個(gè)軸電機(jī)是否能正常工作；回原點(diǎn)操作模式是藥條自動(dòng)打孔之前必須執(zhí)行的操作，因?yàn)楣ぷ髋_(tái)回到原點(diǎn)后，就把當(dāng)前位置設(shè)置為0值，當(dāng)打孔程序啟動(dòng)后就把原點(diǎn)位置的坐標(biāo)值作為鉆床加工每個(gè)孔移動(dòng)距離的參考；單速定位操作模式是自動(dòng)打孔用到的工作模式，各個(gè)軸工作臺(tái)以一種速度從一個(gè)點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)點(diǎn)。BFM＃18和BFM＃17是單速定位操作定位距離的設(shè)置。BFM＃20和BFM＃19是單速定位操作運(yùn)行速度的設(shè)置。BFM＃27和BFM＃26用來(lái)存儲(chǔ)各個(gè)軸工作臺(tái)當(dāng)前位置的值。這次設(shè)計(jì)的鉆床用不到參數(shù)，不需要設(shè)置。

4.2 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置

大部分電機(jī)工作的參數(shù)在PGU中設(shè)置，設(shè)置步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器參數(shù)時(shí)只需在控制精度上和PGU設(shè)置一致即可，比如PGU的脈沖速率是每轉(zhuǎn)400脈沖，絲杠的導(dǎo)程是4mm，可知一個(gè)脈沖走0.01mm，那么設(shè)置步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的步進(jìn)細(xì)分?jǐn)?shù)要把精度控制在0.01mm，并且脈沖輸出格式要和PGU設(shè)置一致。

4.3 交流伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置

和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器一樣，交流伺服驅(qū)動(dòng)器的大部分參數(shù)由PGU決定。主要是精度和脈沖輸出格式的設(shè)置要和PGU一樣，通過(guò)交流伺服驅(qū)動(dòng)的電子齒輪比參數(shù)的設(shè)置可以改變其精度。通過(guò)設(shè)置驅(qū)動(dòng)器的配置參數(shù)可以改變脈沖輸出格式。

5 小結(jié)

本控制系統(tǒng)以工業(yè)計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，PLC、擴(kuò)展模塊及通信模塊作為下位機(jī)，上、下位機(jī)構(gòu)成了主從的工作模式，方便工作人員在隔離現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境下工作，操作方法簡(jiǎn)單，工作人員只要點(diǎn)一下組態(tài)界面啟動(dòng)打孔按鈕就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控全自動(dòng)打孔工作。