HC－600型便攜式船用數(shù)控鏜孔機控制系統(tǒng)設(shè)計

杜飛明，常 恒，張玉蓮

(浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江 舟山 316000)

HC－600型便攜式船用鏜孔機是浙江舟山海川船舶機械有限公司設(shè)計的產(chǎn)品，主要適用于船舶修造行業(yè)，是加工船舶舵系安裝孔、軸系尾軸孔、大型起重機安裝孔的設(shè)備。也適用于部分不易移動的體積大、質(zhì)量大，必須在現(xiàn)場進行加工的設(shè)備。通過現(xiàn)場固定便攜式鏜孔機進行鏜孔，可以完成大部分加工任務(wù)，但在某些特殊情況下，不帶數(shù)控系統(tǒng)的便攜式鏜孔機就難以達到精度要求。如加工一些長度和精度要求很高的盲孔時，由于肉眼難以觀察到孔內(nèi)表面的加工精度和孔的深度，就會使得加工效率降低，生產(chǎn)成本增加，同時無法確保生產(chǎn)要求;還有在加工具有多孔系的箱體零件時，不僅要求保證尺寸的精度，還需要保證孔系之間的定位精度和孔的形狀精度。因此引進數(shù)控技術(shù)，并用伺服控制替代手動控制，以獲得控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、操作簡便、性價比高的便攜式數(shù)控鏜孔機已經(jīng)成為一些船舶修造企業(yè)進行設(shè)備改造的途徑。

1 便攜式船用數(shù)控鏜孔機數(shù)控部分組成

a.PLC 控制器。

可編程序控制器(PLC)技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)自動化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。它在控制性能、組機周期和硬件成本等方面表現(xiàn)出較大的優(yōu)勢，是其他工控產(chǎn)品難以比擬的。如果用PLC控制技術(shù)對一些機床實施改造，則具有普遍的技術(shù)及經(jīng)濟意義[1]。

b.人機交互(HMI)。

工業(yè)控制自動化領(lǐng)域中除了可編程序控制器(PLC)外，還有不可缺少的一塊就是人機交互，人機界面是當今工業(yè)控制自動化技術(shù)的熱點之一。所謂人機交互，是指人與計算機之間使用某種編程語言，以一定的交互方式，為完成確定任務(wù)的人與計算機之間信息交換的過程。在設(shè)計過程中通過設(shè)計一個人機界面(HMI)作為操作人員和操作設(shè)備之間溝通的橋梁，使得操作者可以實時按需輸入加工要求并且實時觀測加工狀態(tài)。筆記本多用USB作為通信端口，通過電平轉(zhuǎn)換與RS－232總線相連，總線再與PLC相連，對工業(yè)生產(chǎn)加工進行全過程監(jiān)控，形成一個全新控制系統(tǒng)。常用的人機交互界面就是觸摸屏，由于觸摸屏集點觸操作與動態(tài)觀測于一體，使得應(yīng)用了觸摸屏的控制系統(tǒng)更加直觀，易于操作。目前觸摸屏技術(shù)已經(jīng)在我國得到了廣泛的應(yīng)用。

c.伺服電機。

在工業(yè)控制自動化中，伺服電機是不可缺少的一環(huán)。相比傳統(tǒng)的電動機，伺服電機通過將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速信號以驅(qū)動控制對象，對速度和位置精度有著更準確的控制。伺服電機不僅具有機電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓低等特性，還具有體積小、動作反應(yīng)快、過載能力大、調(diào)速范圍寬、低速力矩大、波動小、運行平穩(wěn)、噪聲低、效率高等優(yōu)點[2]。目前，國內(nèi)外已經(jīng)將伺服電機廣泛應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)、工業(yè)生產(chǎn)流水線、汽車制造、航空航天等領(lǐng)域。

2 便攜式船用數(shù)控鏜孔機的控制方式

便攜式船用數(shù)控鏜孔機的控制核心為PLC，并以觸摸屏為人機交互界面，通過觸摸屏輸入鏜孔機完成工作任務(wù)所需的各種參數(shù)(鏜桿轉(zhuǎn)速、每轉(zhuǎn)進刀量、加工孔深)。觸摸屏顯示鏜孔機當前的工作狀態(tài)(主軸電機轉(zhuǎn)速、進給電機轉(zhuǎn)速、鏜桿轉(zhuǎn)速、主軸絕對坐標(目標)、進給絕對坐標(目標)、主軸當前坐標、進給當前坐標、剩余運行時間等)，并實時控制鏜孔機的各種動作(急停、開始運行、進給暫停、進給調(diào)速、鏜桿調(diào)速、機械回零等)。手工輸入觸摸屏的各種參數(shù)變成各種指令代碼輸入PLC，在PLC處理之后將命令及脈沖輸入伺服電機驅(qū)動器，伺服電機驅(qū)動器在設(shè)置參數(shù)后，與高速編碼器的反饋信號形成閉環(huán)控制。外置電子手輪連接PLC，對鏜孔機的啟動、調(diào)速、對刀等進行手動脈沖控制。

3 便攜式船用數(shù)控鏜孔機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 PLC 的選擇

PLC的選型首先是品牌的選擇，在綜合考慮成本、穩(wěn)定性、編程人性化等因素后，選擇臺達PLC。

其次根據(jù)所需功能和容量進行具體型號的選擇，并考慮維護的方便性、備件的通用性、是否易于擴展、有無特殊功能要求等。

a.PLC輸入/輸出(I/O)點確定。I/O點數(shù)選擇時要留出適當余量。由控制要求可知有16個輸入口，則輸入的點數(shù)可選擇16點;輸出已知有10個，則輸出點數(shù)也可選擇16點。綜合以上兩點，選擇輸入輸出點數(shù)為相同的16點。

b.PLC存儲容量。系統(tǒng)有模擬量信號存在或進行大量數(shù)據(jù)處理時容量應(yīng)選擇大一些;便攜式船用數(shù)控鏜孔機的PLC控制程序設(shè)計步驟在1000step之內(nèi)，默認存儲容量為16kstep已經(jīng)足夠使用。

c.輸出類型。由于需要控制2個伺服電機，所以在16個輸出點中需要有至少2組高速輸出，并且觸摸屏和伺服電機驅(qū)動器使用相同的24V直流電，所以輸出類型選擇晶體管型輸出。

d.輸入要求。由于要讀取電子手輪的AB相編碼脈沖，所以選用的PLC至少需要有1組高速輸入點。

e.PLC的連接。由于PLC需要連接觸摸屏，所以需要在選購時注意連接端口的型號。

綜上所述原因，最終選擇臺達 DVP－32ES200T2。

3.2 伺服電機與觸摸屏的選擇

在選用伺服電機時，需要參考計算得出的鏜孔機主軸輸入功率(2.4kW)以及進給電機輸入功率(400kW)，而且在控制時需要精確設(shè)定加工深度并精確定位加工位置，所以要求選用有位置控制的伺服電機驅(qū)動器。根據(jù)以上數(shù)據(jù)和要求選購了武漢華大新型電機科技股份有限公司的型號為130ST－M10025LFB、80ST－M01330LF1B的伺服電機及型號為SBF－PL301/3A的伺服電機驅(qū)動器。

選購觸摸屏?xí)r綜合考慮成本和工作要求，選用了維綸公司的型號為WEINVIEW MT6070iH的觸摸屏。

3.3 PLC控制I/O分配表

在PLC編程實現(xiàn)控制時，需要對PLC控制器的I/O口進行分配見表1。其中“X”表示PLC控制器的信號輸入端口，“Y”表示信號輸出端口，后續(xù)數(shù)字為相應(yīng)的地址，與PLC外圍接線地址一致。(但不包括擴展)[3]。

表1 PLC控制I/O分配表

3.4 PLC控制系統(tǒng)接線方式

PLC控制器常用通用串口(RS232)為其下載程序，而筆記本多用USB作為通信端口。因為USB用的是TTL電平(邏輯“1”為 +5V，邏輯“0”為0V)，RS232是負邏輯(邏輯“1”是－12V，邏輯“0”是+12V)，所以兩者通信時需要電平轉(zhuǎn)換。一般用MAX232芯片進行轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)計算機USB接口到通用串口之間的轉(zhuǎn)換，為沒有串口的計算機提供快速的通道。將即插即用USB轉(zhuǎn)換成通用串口設(shè)備，最大優(yōu)點為支持熱插撥、即插即用、傳輸速度快、調(diào)試簡便等。本設(shè)計采用USB轉(zhuǎn)RS232通用串口線實現(xiàn)通信功能，如圖1所示。

圖1 PLC與電腦連接圖

購買觸摸屏?xí)r定制一條連接線連接PLC，實現(xiàn)PLC與觸摸屏的連接，如圖2所示。

圖2 PLC與觸摸屏連接

伺服電機驅(qū)動器采用傳統(tǒng)的連接方法，控制方式為閉環(huán)控制[4]，實體連接和原理圖如圖3所示。

4 便攜式船用數(shù)控鏜孔機控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 觸摸屏組態(tài)軟件

觸摸屏組態(tài)軟件使用的是威綸公司的Easy-Builder 8000軟件，簡稱EB8000，是臺灣威綸科技公司開發(fā)的新一代人機界面軟件，適用于該公司MT8000和MT6000系列所有型號的產(chǎn)品。Easy-Builderd是用來配置MT8000系列觸摸屏元件的綜合設(shè)計軟件，或者稱為組態(tài)軟件(簡稱EB500)。按下編輯按鈕，可以進入EB500組態(tài)軟件的編輯畫面。在模擬過程中，可分為在線模擬和離線模擬兩種狀態(tài)。

OnLine－Simulator(在線模擬):工程經(jīng)由EB8000編譯后(其編譯后的文件為*.eob文件)，Simulator可經(jīng)由MT500讀取PLC的數(shù)據(jù)，并在PC屏幕上直接模擬MT8000的操作。在調(diào)試過程中使用在線模擬功能可以節(jié)省大量程序重復(fù)下載的時間。

圖3 伺服電機驅(qū)動器與電機連接原理圖與實物圖

OffLine－Simulator(離線模擬):可以離線模擬程序運行，其讀取的數(shù)據(jù)都是觸摸屏內(nèi)部的靜態(tài)數(shù)據(jù)。觸摸屏組態(tài)界面如圖4所示。

圖4 觸摸屏組態(tài)界面

4.2 伺服電機驅(qū)動器端口配置

選用的伺服電機驅(qū)動器端口排布如圖5所示，并對各個端口進行配置，見表2。

圖5 伺服電機驅(qū)動器CN1接口引腳圖

5 便攜式船用數(shù)控鏜孔機控制系統(tǒng)工作過程

鏜孔機自動化控制工作過程從系統(tǒng)初始化到整個作業(yè)完成順序如圖6所示。

表2 伺服電機驅(qū)動器端口配置

圖6 鏜孔機自動化控制工作流程圖

6 鏜孔機PLC控制元器件選型配置

在對便攜式船用數(shù)控鏜孔機控制系統(tǒng)元器件選型配置時，對于數(shù)據(jù)寄存器、高速計數(shù)器和部分輔助繼電器，選用了停電保持型，以確保在加工過程中不會因突然停電而影響到工件的加工精度。

7 鏜孔機觸摸屏組態(tài)界面形式

鏜孔機觸摸屏組態(tài)界面布置圖和實時顯示界面圖如圖7所示。

8 結(jié)束語

圖7 觸摸屏組態(tài)界面和實時顯示界面圖

本文對傳統(tǒng)的HC－600型鏜孔機進行了數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計，用數(shù)控編程操作替代人工手動操作，在舟山海川船舶機械有限公司實際加工使用過程中，在保證精度的同時實現(xiàn)了操作簡便的目的，同時效率也有較大提高。改造后的鏜孔機因其控制程序的可擦寫性和結(jié)構(gòu)的小型化，能夠很好地適應(yīng)不同的加工工藝和工作環(huán)境，在船舶行業(yè)(尤其是現(xiàn)場加工)有著比較良好的推廣與應(yīng)用前景。目前只是對原有的鏜孔機進行數(shù)控改造，接下來將根據(jù)鏜孔機的工作原理自主設(shè)計適合船舶現(xiàn)場加工的小型數(shù)控鏜孔機，與改裝的數(shù)控鏜孔機相比，在保證加工精度和提高效率的基礎(chǔ)上，其結(jié)構(gòu)將更加緊湊，體積更小。

[1] 楊長能，張興毅.可編程程序控制器基礎(chǔ)及應(yīng)用[M].重慶:重慶大學(xué)出版社，2001.

[2] 靜康.實用電工典型線路圖例[M].北京:中國水利水電出版社，1998.

[3] 全國電氣文件編制和圖形符號標準化技術(shù)委員會.電氣電工及相關(guān)標準匯編[G].北京:中國電力出版社，2001.

[4] 齊占慶.機床電氣控制技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社，1999.