郭志冬

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 三門峽 472000）

數(shù)控鉆床是實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)化鉆削加工的一類機(jī)床設(shè)備，具有多樣化、高性能、高精度和高效率等特點(diǎn)，在機(jī)械加工的各類機(jī)床中所占比重較大。數(shù)控機(jī)床通過(guò)X、Y、Z軸上安裝的伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)X（左負(fù)右正）Y（近負(fù)遠(yuǎn)正）Z（下負(fù)上正）三個(gè)方向的精確運(yùn)動(dòng)。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控設(shè)備也出現(xiàn)了強(qiáng)大的性能和多樣化[1]。充分利用計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)和軟件技術(shù)，使得數(shù)控機(jī)床的性能得到極大地提升，精度和效率也越來(lái)越高。但是，數(shù)控機(jī)床的多種性能的利用即在工廠用到的數(shù)控鉆床的功能還不到全部功能的十分之一。這使得數(shù)控機(jī)床的很多功能被閑置，是一種浪費(fèi)[2]。另外，數(shù)控機(jī)床由于其多種性能，其價(jià)格多數(shù)較為昂貴。對(duì)此，研究基于PLC的數(shù)控鉆床，結(jié)合PLC和現(xiàn)有的控制系統(tǒng)及技術(shù)，設(shè)計(jì)一種成本較低的，易于操作維護(hù)保養(yǎng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的數(shù)控鉆床設(shè)備有著很大的現(xiàn)實(shí)意義。

一、數(shù)控鉆床整體方案設(shè)計(jì)

研究以PLC為核心，滿足控制要求和加工精度，設(shè)計(jì)一臺(tái)高性價(jià)比的數(shù)控鉆床的電氣控制系統(tǒng)。控制要求如下。

手動(dòng)控制功能：通過(guò)觸摸屏上的界面選擇進(jìn)入到手動(dòng)控制界面，通過(guò)電子手輪功能對(duì)設(shè)備進(jìn)行XYZ三個(gè)方向上移動(dòng)，通過(guò)觸摸屏顯示的三個(gè)方向上的數(shù)值確定移動(dòng)的距離，對(duì)于要求加工定位精度不高的場(chǎng)合也可通過(guò)肉眼來(lái)定位[3]。

自動(dòng)控制過(guò)程：

該數(shù)控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 PLC控制數(shù)控鉆床整體方案

圖1中，PLC完成主控功能；觸摸屏為人機(jī)對(duì)話平臺(tái)，完成工作狀態(tài)的顯示；變頻器及主軸電機(jī)用于實(shí)現(xiàn)機(jī)床主軸運(yùn)動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)主軸調(diào)速；X、Y、Z伺服控制系統(tǒng)采用伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)鉆床的前后、左右、上下的位置運(yùn)動(dòng)控制，綜合考慮精度要求，以及成本和控制要求等，本系統(tǒng)采用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。

二、硬件系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件組成包括PLC、觸摸屏、伺服系統(tǒng)（包括伺服驅(qū)動(dòng)、編碼器和伺服電機(jī)）、主軸電機(jī)及變頻器組成[4]。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖

（一）觸摸屏：人機(jī)界面，參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)顯示及控制，采用西門子精智面板TP700,該觸摸屏是7 TFT 顯示屏，800 x480 像素，16M 色；1個(gè)MPI/PROFIBUS DP接口，1個(gè)支持 MRP 和 RT/IRT的 PROFINET/工業(yè)以太網(wǎng)接口（2個(gè)端口）；2 x多媒體卡插槽；3個(gè)USB接口。實(shí)現(xiàn)功能為：機(jī)床參數(shù)設(shè)定；機(jī)床狀態(tài)顯示；機(jī)床控制；報(bào)警顯示等內(nèi)容。

（二）PLC主機(jī)：采用西門子S7-1200系列的CPU 1215C DC/DC/DC。該P(yáng)LC具有125 KB 工作存儲(chǔ)器；24VDC 電源，板載 DI14 x24VDC 漏型/源型，板載 DQ10 x24VDC 及 AI2 和 AQ2；板載6 個(gè)高速計(jì)數(shù)器和 4 個(gè)脈沖輸出；信號(hào)板擴(kuò)展板載I/O；多達(dá) 3 個(gè)用于串行通信的通信模塊；多達(dá)8個(gè)用于 I/O 擴(kuò)展的信號(hào)模塊；0.04 ms/1000 條指令；2 個(gè) PROFINET 端口，用于編程、HMI 和 PLC 間數(shù)據(jù)通信。主要用于實(shí)現(xiàn)各種執(zhí)行單元的控制。

（三）伺服驅(qū)動(dòng)及伺服電機(jī)：伺服驅(qū)動(dòng)采用歐姆龍R88D-KT08H-Z，配伺服電機(jī)R88MK75030T-B-Z，電機(jī)自帶編碼器，編碼器用于測(cè)量具體位置并反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器。伺服驅(qū)動(dòng)器用于接收PLC的脈沖和數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換成執(zhí)行指令，通過(guò)內(nèi)部參數(shù)達(dá)到控制的目的；通過(guò)不斷地接收編碼器的數(shù)據(jù)，對(duì)伺服電機(jī)實(shí)施半閉環(huán)控制。伺服電機(jī)用于接收伺服驅(qū)動(dòng)器的指令和進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。

（四）變頻器：采用歐姆龍多功能小型變頻器3G3MX2-A2022-ZV1，三相2.2KW。用于對(duì)主軸電機(jī)采取開(kāi)環(huán)控制，主要有正反轉(zhuǎn)控制和利用調(diào)頻的方式進(jìn)行速度控制。

（五）主軸電機(jī)：采用2KW的變頻電機(jī)磁極對(duì)數(shù)P=2。

（六）其它部分：潤(rùn)滑部分采用普通潤(rùn)滑模塊，由PLC進(jìn)行控制。冷卻部分采用普通冷卻模塊，由觸摸屏或PLC進(jìn)行控制。照明部分由觸摸屏或PLC手動(dòng)控制。

三、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

（一）軟件設(shè)計(jì)總體方案

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)總體方案如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)總體方案

該系統(tǒng)采用觸摸屏作為操作的上位機(jī)；主機(jī)為PLC，通過(guò)觸摸屏啟動(dòng)PLC，啟動(dòng)主程序，調(diào)用各個(gè)功能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)整體控制[5]。

（二）PLC程序流程圖

PLC程序流程圖如圖4所示。

圖4 PLC程序流程圖

PLC啟動(dòng)時(shí)，開(kāi)啟照明、冷卻水泵、潤(rùn)滑泵等輔助功能；然后啟動(dòng)伺服準(zhǔn)備加工，啟動(dòng)數(shù)據(jù)輸入功能，并進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，完成零件的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，計(jì)算脈沖數(shù)量，執(zhí)行伺服運(yùn)動(dòng)，并以直線插補(bǔ)的方式進(jìn)行每個(gè)點(diǎn)的鉆削加工；當(dāng)出現(xiàn)位置、數(shù)據(jù)、驅(qū)動(dòng)等報(bào)警事件觸發(fā)時(shí)，系統(tǒng)顯示報(bào)警，停止運(yùn)行程序，直到報(bào)警解除。加工過(guò)程的各個(gè)數(shù)據(jù)通過(guò)PLC實(shí)時(shí)傳送到觸摸屏進(jìn)行顯示。

（三）觸摸屏設(shè)計(jì)

主界面設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 觸摸屏組態(tài)主界面

觸摸屏組態(tài)手動(dòng)控制界面如圖6所示。

圖6 觸摸屏組態(tài)手動(dòng)界面

四、結(jié)語(yǔ)

本文從實(shí)際應(yīng)用的角度和簡(jiǎn)單、數(shù)控的原則出發(fā)，搭建了數(shù)控機(jī)床的簡(jiǎn)易硬件結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了程序流程。本文設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，目的是簡(jiǎn)化機(jī)床結(jié)構(gòu)，便于維修和操作，所使用的材料均為市場(chǎng)上成熟的產(chǎn)品，且滿足機(jī)床的參數(shù)需求。程序設(shè)計(jì)采用PLC程序設(shè)計(jì)，通用性好，可靠性高，編程簡(jiǎn)單容易。本設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)加工，滿足一般的控制要求，但是控制上靈活度還有一定的欠缺，各軸也不能實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，因此不能完成復(fù)雜加工工藝的零件加工，但是經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、精度高可以滿足大部分一般的需求，因此有極大應(yīng)用和參考價(jià)值。