劉新波， 黎 浪， 楊永青

（邵陽(yáng)學(xué)院 多電源地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 邵陽(yáng) 422000）

0 引言

模具是制造業(yè)的重要基礎(chǔ)工藝裝備， 可用來(lái)生產(chǎn)工業(yè)產(chǎn)品所需要的一些零部件。 模具的制造水平也是衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平高低的重要標(biāo)志[1]。模具內(nèi)尺寸精度，即模具內(nèi)腔的尺寸精度一直是沖壓工藝和模塑成型工藝研究的重點(diǎn)內(nèi)容[2]。隨著中國(guó)制造2025 等計(jì)劃的實(shí)施，模具制造效率和制造精度之間的矛盾越來(lái)越突出，從而使模具在制造狀態(tài)下的測(cè)量任務(wù)（在機(jī)測(cè)量或在線測(cè)量）顯的越來(lái)越重要[3-5]。

模具的測(cè)量是模具制造的一個(gè)重要工藝， 其尺寸參數(shù)是其成型產(chǎn)品的直接反映，決定著成型質(zhì)量。 目前，在機(jī)床上測(cè)量模具的內(nèi)腔尺寸，主要為接觸測(cè)量方式。現(xiàn)場(chǎng)使用最多的是卡尺、千分表等傳統(tǒng)尺寸測(cè)量法，這種方法但精度低，而且耗時(shí)量大。 部分有條件的企業(yè)將模具置于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)之上進(jìn)行測(cè)量，此方法雖然精度高，但是若離機(jī)測(cè)量后仍需加工，將造成二次加工誤差，因此多數(shù)情況下，直接將不合格的被測(cè)樣品報(bào)廢，另外，該方式受限于測(cè)量效率，難以滿足ISO9000 等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)產(chǎn)品全檢的要求[6]。

針對(duì)上述問(wèn)題， 本文基于PLC 設(shè)計(jì)了一套深度在線加工測(cè)量裝置。 該裝置實(shí)現(xiàn)了在線加工測(cè)量，整個(gè)裝置不僅提高了模具測(cè)量的精度和效率， 而且由LabView 軟件制作的人機(jī)界面操作方便。 模具加工的過(guò)程中，增加在線檢測(cè)技術(shù)，檢測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行反饋，不斷提高模具的加工質(zhì)量和加工效率[7]。

1 裝置的結(jié)構(gòu)及控制方案

1.1 裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理

該裝置加工檢測(cè)原理見(jiàn)圖1， 整體示意圖中包括雕銑機(jī)床、磁力角架、模具、激光測(cè)量單元。激光測(cè)量單元示意圖主要包括：激光傳感器、安裝架、磁力座、萬(wàn)向節(jié)、防護(hù)擋板和氣嘴。

圖1 裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1（a）所示為，加工之前，將代加工模具放在工作臺(tái)上， 將激光測(cè)量單元通過(guò)磁力座固定在機(jī)床合適位置后，手動(dòng)調(diào)節(jié)所述磁力角架上的各個(gè)角關(guān)節(jié)，使得所述激光測(cè)量單元的激光出射光斑定位到模具上的待測(cè)點(diǎn)。 激光傳感器的輸出數(shù)值由PLC 的模擬量模塊進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，并實(shí)時(shí)傳輸至上位機(jī)；在加工狀態(tài)時(shí)，上位機(jī)將處理后的深度參數(shù)傳輸至PLC， 使得PLC 實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)數(shù)值方向的進(jìn)給量，同時(shí)，在激光測(cè)量裝置中設(shè)置氣嘴，能實(shí)時(shí)吹除加工碎屑， 防護(hù)板能防止碎屑飛濺損傷激光測(cè)量單元的內(nèi)部部件。

1.2 控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)

根據(jù)加工檢測(cè)的裝置要求， 控制系統(tǒng)主要由模擬量采集模塊、PLC 主機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、模擬量采集模塊、電主軸變頻器、 激光位移傳感器和上位機(jī)人機(jī)界面等組成，見(jiàn)圖2。 控制系統(tǒng)中的傳感器用于實(shí)時(shí)檢測(cè)模具的深度參數(shù)，獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸至PLC 中，再經(jīng)過(guò)由上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析。 PLC 和上位機(jī)采用PC Access SMART OPC 進(jìn)行直接通信，方便快捷。 數(shù)據(jù)處理完后，上位機(jī)再將準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸至PLC 完成進(jìn)給參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。 由LabView 軟件制作的界面作為系統(tǒng)的人機(jī)界面，用來(lái)顯示數(shù)據(jù)和參數(shù)設(shè)置。

圖2 裝置的控制系統(tǒng)組成

由于本套系統(tǒng)采用的雕銑機(jī)的X、Y、Z 進(jìn)給軸采用步進(jìn)電機(jī)，改造后由PLC 發(fā)出脈沖信號(hào)的進(jìn)行控制，其脈沖由設(shè)定的進(jìn)給速度決定，特別的，加工狀態(tài)下Z 軸的進(jìn)給量由激光傳感器反饋后的深度參數(shù)決定。 針對(duì)所采用的電主軸進(jìn)行控制， 采用變頻器自帶的面板進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，PLC 僅對(duì)其進(jìn)行啟停控制。 上位機(jī)（人機(jī)界面）可用于現(xiàn)場(chǎng)控制、 控制參數(shù)設(shè)置、 以及加工路徑和數(shù)據(jù)檢測(cè)分析，也可以通過(guò)手動(dòng)或點(diǎn)動(dòng)的方式對(duì)裝置進(jìn)行控制。

2 控制系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)及硬件選型

2.1 控制及擴(kuò)展模塊

整個(gè)裝置的控制系統(tǒng)包括PLC、傳感器、變頻器、驅(qū)動(dòng)器以及相應(yīng)的擴(kuò)展模塊和人機(jī)界面等。 計(jì)算機(jī)可以通過(guò)以太網(wǎng)與PLC 實(shí)現(xiàn)通訊，在STEP7-Micro/WIN SMART軟件上進(jìn)行編程。 通訊推出的OPC（OLE for Control）服務(wù)器軟件。 跟其他標(biāo)準(zhǔn)的OPC 客戶端進(jìn)行通信并提供數(shù)據(jù)信息。在本文中是檢測(cè)STEP7-Micro WIN SMART 軟件中已經(jīng)編好的程序，它具有測(cè)試功能。 這樣一來(lái)，便可以測(cè)試配置情況和通信情況。

本文采用的是西門(mén)子公司生產(chǎn)的S7-200 SMART 系列的CPU ST 30 DC/DC/DC 作為控制核心， 該P(yáng)LC 提供18 點(diǎn)數(shù)字量輸入，12 點(diǎn)數(shù)字量輸出， 并且有3 個(gè)脈沖輸出接口，能夠滿足系統(tǒng)對(duì)I/O 口需求。 模擬量擴(kuò)展模塊選擇EM AE04，模擬量輸入模塊，4 輸入。 根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的要求分配PLC 輸入輸出端口， 各設(shè)備及傳感器元件的PLC 端口地址分配見(jiàn)表1。

表1 PLC 端口地址分配

2.2 測(cè)量裝置模塊

為了實(shí)現(xiàn)在加工過(guò)程中對(duì)模具進(jìn)行測(cè)量， 將激光位移傳感器為核心的激光測(cè)量單元固定在雕銑機(jī)床的主軸支架上， 手動(dòng)調(diào)節(jié)使測(cè)量單元的激光斑定位到模具的待測(cè)點(diǎn)上。綜合考慮精度和結(jié)構(gòu)參數(shù)，激光傳感器選擇型號(hào)為HG-C1030 的傳感器，測(cè)量中心距離為30mm，測(cè)量范圍為±5mm，電源電壓12～24V，電流應(yīng)不超過(guò)40mA。

2.3 變頻器、驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)

為了改變主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而改變模具加工時(shí)的速度，控制系統(tǒng)采用變頻器，其作用是對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，變頻器選用AE200-2-1PH-1.5G， 單線輸入，220V 電壓，頻率為50～60Hz， 三線輸出，220V 電壓， 工作電流不超過(guò)7A。對(duì)電機(jī)不僅有保護(hù)作用，而且調(diào)速效率高、方便控制，使控制系統(tǒng)變得簡(jiǎn)單。

為了控制另外三個(gè)電機(jī)的啟動(dòng)、停機(jī)、轉(zhuǎn)速和對(duì)電路的保護(hù)，控制系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。 通過(guò)劃分表，設(shè)置可行性方案，操作起來(lái)相對(duì)容易。通過(guò)PLC 發(fā)出的脈沖控制電機(jī)的運(yùn)行，脈沖數(shù)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速的角度，脈沖頻率對(duì)應(yīng)速度。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用DM542， 供電電壓可達(dá)50VDC， 輸出電流峰值可達(dá)4.2A， 脈沖最高響應(yīng)頻率200kHz，噪音小，抗干擾能力強(qiáng)，且可實(shí)現(xiàn)高精度定位。

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)置

3.1 PLC 主程序設(shè)計(jì)

整個(gè)加工檢測(cè)系統(tǒng)的控制程序包括激光檢測(cè)模塊、設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和設(shè)備控制模塊。 檢測(cè)模塊是負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)檢測(cè)被加工物的精度，從而進(jìn)行調(diào)整。 設(shè)備控制模塊主要為PLC 對(duì)電機(jī)及設(shè)備傳感器信號(hào)的檢測(cè)和反饋控制。 設(shè)置模塊主要是設(shè)置傳感器的啟動(dòng)值。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊一方面是將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)上傳至主控單元，從而進(jìn)行分析， 另一方面顯示電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律和運(yùn)行情況，見(jiàn)圖3。

圖3 控制程序流程圖

從圖3 的流程圖來(lái)看， 系統(tǒng)和設(shè)備通上電之后，在人機(jī)界面上對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行初始化，檢測(cè)各設(shè)備傳感器的標(biāo)定狀態(tài)，如過(guò)未檢測(cè)到數(shù)據(jù)則報(bào)警。對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，將待加工模具在至工作臺(tái)，各方面都調(diào)節(jié)好之后，將編好的程序?qū)耄?然后啟動(dòng)。 銑刀開(kāi)始工作，激光測(cè)頭發(fā)出的光斑對(duì)準(zhǔn)加工位置，測(cè)得數(shù)據(jù)上傳至主控單元。

根據(jù)控制系統(tǒng)流程圖在STEP7-Micro/WIN SMAR 軟件上進(jìn)行編程，見(jiàn)圖4，激光傳感器的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

圖4 信號(hào)轉(zhuǎn)換

3.2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

操作界面用LabView 軟件進(jìn)行圖形化編程， 見(jiàn)圖5，操作界面包括四個(gè)部分， 第一個(gè)部分是坐標(biāo)軸對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)參數(shù)，第二個(gè)部分對(duì)應(yīng)的是刀具的實(shí)際路徑圖，第三部分也就是運(yùn)行狀態(tài)，包括啟動(dòng)、停止運(yùn)行和復(fù)位，兩個(gè)運(yùn)行啟示燈，最后的一部分是數(shù)據(jù)分析處理。

圖5 人機(jī)界面圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究設(shè)計(jì)的在線測(cè)量加工裝置， 不僅可以完成模具的加工， 還可以根據(jù)模具所需要的精度進(jìn)行再次加工。 同時(shí)，該系統(tǒng)采用PLC 作為控制器，具有工作穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。 在使用功能方面，系統(tǒng)可依據(jù)歷史數(shù)據(jù)對(duì)作業(yè)參數(shù)進(jìn)行修改，可利用人機(jī)界面設(shè)定為自動(dòng)作業(yè)或手動(dòng)操作[8]。 該系統(tǒng)的成功實(shí)現(xiàn)，解決了模具在線加工同時(shí)進(jìn)行的困難。