鄧昌奇

（廣東石油化工學(xué)院機電學(xué)院，廣東茂名525000）

基于PLC數(shù)控鉆床控制系統(tǒng)的應(yīng)用與開發(fā)*

鄧昌奇

（廣東石油化工學(xué)院機電學(xué)院，廣東茂名525000）

簡述數(shù)控鉆床和數(shù)控系統(tǒng)的組成，詳細分析了可編程控制器，在數(shù)控鉆床中的應(yīng)用方式及特點，利用三菱PLC對數(shù)控鉆床進行控制，詳細討論了鉆床的輸入輸出信息，研究了其邏輯關(guān)系，并列出了部分梯形圖，實際使用表明該系統(tǒng)獲得了良好的控制效果。

PLC；鉆床；應(yīng)用；開發(fā)

DOI：10.3969/j.issn.1009-9492.2015.01.020

0　引言

鉆床是一種孔加工機床，可用來鉆孔、擴孔、鉸孔、攻螺紋及修刮端面等多種形式的加工。本文所敘述的數(shù)控鉆床是加工飼料模的專用數(shù)控鉆床。數(shù)控鉆床主要用于圓柱體、圓錐體的鉆孔，數(shù)控鉆床設(shè)有主軸、B軸、Z軸、機體支架、通氣管及冷卻液漕［1］。主軸由變頻器驅(qū)動異步電動機，異進電動機帶動皮帶葉輪，皮帶葉輪驅(qū)動主軸轉(zhuǎn)動。B軸是旋轉(zhuǎn)軸，由步進驅(qū)動單元驅(qū)動B軸旋轉(zhuǎn)，使B軸旋轉(zhuǎn)所需要的轉(zhuǎn)角。Z軸是作上下（垂直）運動，由步進驅(qū)動單元驅(qū)動Z軸步進電動機作上下移動，使Z軸上下移動所需要的距離［2］。前后的移動由手動前后移動的距離。數(shù)控機床組成見圖1。

1　數(shù)控鉆床控制的設(shè)計與實現(xiàn)

數(shù)控鉆床的控制主要用于對主軸的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩的設(shè)定、顯示及其報警；Z軸的移動距離的設(shè)定與顯示；B軸的旋轉(zhuǎn)角度的設(shè)定與顯示。它們是本機的關(guān)鍵技術(shù)。對不同的加工件進行速度、位移及旋轉(zhuǎn)角的設(shè)定及其顯示，在顯示的過程中在觸摸屏上隨時可在線調(diào)出不同加工件及材質(zhì)的速度、位移及旋轉(zhuǎn)角的設(shè)定，也可以調(diào)出某加工件的速度、位移及旋轉(zhuǎn)角的設(shè)定。包括Z軸、B軸位移的計算、主軸變頻器、B軸驅(qū)動模塊、Z軸驅(qū)動模塊、PLC和觸摸屏等裝置。

觸摸屏主要用于主軸、B軸、Z軸的速度、旋轉(zhuǎn)角及位移的設(shè)置及其顯示，在線調(diào)閱相關(guān)的技術(shù)參數(shù)及數(shù)據(jù)，觸摸屏采用三菱GOT1000系列的GT1175-VNBA規(guī)格。PLC用于主軸、B軸、Z軸間的邏輯控制及數(shù)據(jù)處理、脈沖數(shù)的運算與輸出，是本機的核心部件，PLC采用三菱FX2N-24MT。兩軸驅(qū)動模塊主要用于B軸、Z軸的驅(qū)動定位控制，作為PLC的重要的附屬模塊，配合PLC處理B軸、Z軸間的關(guān)系，兩軸驅(qū)動模塊采用D306三相混合式步進電機驅(qū)動器。主軸變頻器主要用于主軸的速度及轉(zhuǎn)矩的設(shè)定及控制，變頻器的控制方式為恒轉(zhuǎn)矩控制方式和恒功率控制方式，安裝于主軸的異步電動機上，主軸的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、加減速等參數(shù)通過觸摸屏與變頻器通訊在觸摸屏上進行設(shè)定和參數(shù)的實時顯示。

2　三菱可編程控制器PLC簡介

2.1指令

脈沖輸出指令PLSY∶指令用于產(chǎn)生指定數(shù)量的脈沖plsy［S1.］［S2.］［D.］，

［S1.］：指定脈沖頻率，

FX2N，F(xiàn)X2NC為2到20 000（Hz）；

FX2S，F(xiàn)X1N為：16位指令1到32 767（Hz）

32位指令1到100 000（Hz）

［S2.］：指定產(chǎn)生脈沖的數(shù)目。脈沖范圍：

16位指令1到32 767個脈沖

32位指令1到2 147 483 647個脈沖，若指定脈沖數(shù)為“0”，則產(chǎn)生無窮多個脈沖，即連續(xù)脈沖輸出。

［D.］指定脈沖輸出單元號，占空比：50%，只能為輸出的YO或Y1，在編程過程中使用FX1S，F(xiàn)X1N，F(xiàn)X2N（V2.11以上版本）PLSY指令或者PLSR指令在Y0和Y1輸出端得到各自獨立的脈沖輸出，該指令只能使用一次。FX1S，F(xiàn)X1N，PLSY指令或者PLSR指令在Y0和Y1輸出端得到各自獨立的脈沖輸出，可以反復(fù)使用該指令。

M8029：指定脈沖數(shù)輸出完成后，M8029置1，當(dāng)PLSY和PLSR指令從ON變?yōu)镺FF時，M8029復(fù)位［3］。輸出用晶體管電路。

2.2元件

可編程控制器的輸入輸出分配表見表1所示。X0—X12為可編程控制器的輸入信號，Y0—Y5為可編程控制器的輸出信號，輸入、輸出繼電器均為八進制，內(nèi)部中間繼電器、計數(shù)器、定時器等均為十進制，PLC輸入、輸出、內(nèi)部繼電器、定時器和計數(shù)器等進行分別編址。本PLC采用FX1N-24MT，三菱FX1N系列輸入輸出總點數(shù)為24點，輸入14點輸出10點的晶體管輸出。

表1　R輸入輸出分配表

2.3位移及速度計量處理裝置

計算機是用RS232及RS485接口分別與PLC和觸摸屏進行通訊，將程序傳送至PLC和觸摸屏。觸摸屏將B軸和Z軸的位移量傳送至在編寫及調(diào)試程序時使PLC程序進行運算，將運算結(jié)果傳送至B軸、Z軸驅(qū)動單元，經(jīng)驅(qū)動單元放大后送至B軸、Z軸的步進電動機，使電動機旋轉(zhuǎn)帶動B軸、Z軸移動。計算PLC送到的脈沖數(shù)D8141、D8140和D8143、D8144數(shù)據(jù)寄存器的脈沖數(shù)目在觸摸屏顯示B軸、Z軸的旋轉(zhuǎn)角度和位移量。主軸變頻器通過電位器設(shè)置主軸電動機的轉(zhuǎn)速，將單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)送到主軸電動機，主軸電動機在設(shè)定的值旋轉(zhuǎn)，電動機的實際轉(zhuǎn)速通過調(diào)用變頻器的特殊存儲器送到觸摸屏，在觸摸屏上顯示主軸電動機的實際轉(zhuǎn)速。加工時冷卻液由PLC控制，當(dāng)加工零件時PLC控制冷卻液泵電動機，將冷卻液抽上冷卻被加工零件。數(shù)控鉆床處理系統(tǒng)工藝流程如圖2所示。

圖2　數(shù)控鉆床處理系統(tǒng)工藝流程

3　梯形圖及程序流程

3.1程序流程

數(shù)控鉆床的控制流程如圖3所示。初始化處理外部是否有報警、坐標極限是否超程等。判斷自動方式還是手動方式，在自動方式下Z軸下降（即鉆孔）到位后上升，上升到位后判斷循環(huán)次數(shù)到?jīng)]有，到了B軸就旋轉(zhuǎn)，沒有到繼續(xù)下降和上升，鉆孔根據(jù)用戶需求分幾次才鉆到需要的位置。手動操作包括Z軸的上下移動、B軸旋轉(zhuǎn)、Z軸B軸的清零等操作［4］。程序?qū)軸、B軸位移及主軸的旋轉(zhuǎn)速度、電流及頻率等參數(shù)進行數(shù)據(jù)處理。

3.2程序梯形圖

程序梯形圖如圖4所示。程序判斷是自動還是手動，是手動跳過自動程序執(zhí)行手動程序，是手動程序在執(zhí)行完自動程序后跳過手動程序段，這樣可以減少程序執(zhí)行的時間，程序包括數(shù)據(jù)處理和變頻器與PLC的通訊處理程序等［4］。

圖3　循環(huán)流程圖

4　觸摸屏畫面設(shè)計實現(xiàn)過程

觸摸屏是本系統(tǒng)的人機界面，通過觸摸屏可以對系統(tǒng)進行信息交流。本系統(tǒng)設(shè)計通過選擇觸摸屏的型號為5.6in的MT506T（320×240）觸摸屏來實現(xiàn)系統(tǒng)控制［6］，可以進行系統(tǒng)的自動啟動運行和停止，也可手動控制Z軸和B軸的運行。觸摸屏首頁畫面如圖5所示。

在此畫面中顯示了“自動”、“手動”、“設(shè)定參數(shù)”、“手動設(shè)定”、“啟動”、“停止”、“急?！薄ⅰ皵?shù)據(jù)顯示”、“返回首頁”9個操作按鈕。

設(shè)定參數(shù)畫面在按下“自動”前提下，單擊“設(shè)定參數(shù)”按鈕，如圖6所示，畫面將切換到設(shè)定參數(shù)畫面，用戶可以在此設(shè)定系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)。

圖4　程序梯形圖

圖5　首頁功能畫面

圖6　參數(shù)設(shè)置畫面

在按下“手動”前提下，單擊“手動設(shè)定”按鈕，畫面將切換到手動設(shè)定畫面，用戶可以在此手動控制相關(guān)操作。單擊“數(shù)據(jù)顯示”按鈕，如圖7所示，畫面將切換到數(shù)據(jù)顯示畫面，用戶可以觀察系統(tǒng)顯示自動運行的狀態(tài)。

圖7　手動設(shè)定畫面

5　結(jié)論

隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，可編程控制器控制的設(shè)備已由單機擴展到FMS（柔性制造系統(tǒng)）、CIMS（現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)）等。PLC有較好的邏輯處理功能，在工業(yè)控制領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用空間。三菱PLC為“通用型”的可編程控制器，它的機架、CPU模塊、輸入輸出模塊、信號模塊、功能模塊和電源模塊等是完全集成一體，應(yīng)用非常方面［5］。由于具有強大的編程功能，靈活的應(yīng)用能力，在數(shù)控機床中，應(yīng)用相當(dāng)廣泛。實踐證明，三菱PLC數(shù)控鉆床應(yīng)用中，具有相當(dāng)好的穩(wěn)定性，提高了數(shù)控鉆床的工作效率和自動化水平。

［1］劉書華.數(shù)控機床與編程［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2001.

［2］廖效果.數(shù)控技術(shù)［M］.武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出報社，2000.

［3］鐘肇新，范建東，馮太合.可編程控制器原理及應(yīng)用：第三版［M］.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2003.

［4］FX-20P-EPROGRAMMINGPANELOPERATION MANUAL［Z］.Japan：MITSUBISHIELECTRIC CORPORATION JUL.2002：32-43.

［5］曹菁.三菱PLC、觸摸屏和變頻器應(yīng)用技術(shù)：第1版［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2010.

（編輯：向飛）

The Application and Development of Control System for NC Drilling Machine Based on PLC

DENG Chang-qi
（School of Mechanical and Electrical Engineering，Guangdong University of Petrochemical Technology，Maoming 525000，China）

The composing of the NC drilling machine and the NC system was describe，The application mode and characteristic of the programmable logic controller（PLC）in the NC drilling machine，Adopt Mitsubishi programmable controller NC drilling machine control，and it discusses input and output information of drilling in detail，The research logic relation of drilling machine in detail，and it list part ladder.The employment in fact enunciation NC drilling machine tool acquired the good control result.

PLC；drilling machine；application；development

TP39TG5

B

1009-9492（2015）01-0076-03

*2011年廣東省部產(chǎn)學(xué)研引導(dǎo)項目（編號：2011B090400209）；2011年廣東省科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新專項資金項目（編號：2011CY179）

鄧昌奇，男，1963年生，四川自貢人，碩士，教授。研究領(lǐng)域：數(shù)控機床、機電一體化技術(shù)。