基于PLC 的藥條自動打孔數(shù)控鉆床的研發(fā)?

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

某廠采用手動鉆床加工藥條，首先由工人用工具（直尺和圓規(guī)）對孔定位，然后采用手動鉆床加工，這個過程既費(fèi)時費(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，藥條加工過程對人體也會造成負(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)到對藥條的鉆孔加工，一次裝夾，完成11根藥條的自動加工（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軸帶電磁制動的交流伺服電機(jī)、滾珠絲杠螺母副、滾動導(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（藥條尺寸變化不會影響鉆孔的中心位置），再將專用工裝定位裝夾在工作臺上。Y軸和Z軸通過底座支撐在立柱上，X軸位于水平面上。每根軸可以單獨(dú)運(yùn)動，也可以任意兩軸或三軸同時運(yùn)動，運(yùn)動模式取決于加工對象，最終通過編程來實(shí)現(xiàn)。考慮到主軸轉(zhuǎn)速不需要頻繁調(diào)節(jié)，采用ZJ-3104高速微型臺鉆主軸和電機(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，通過旋鈕可實(shí)現(xiàn)無級調(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，故各個軸的驅(qū)動電機(jī)采用經(jīng)濟(jì)型步進(jìn)電機(jī)和交流伺服電機(jī)來控制，性價比較高。

由于每次加工的11根藥條的截面大小不同、長度相同，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。這套夾具通過圓銷固定在X軸工作臺上，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，夾具中每個藥條的兩側(cè)均有1個勾狀夾板，勾狀夾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，垂直頂桿由兩個桿、一個彈簧組成，其中彈簧夾在兩桿之間，整個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，另一端安裝手動鎖緊輪，兩軸皮帶輪的直徑大小一樣，構(gòu)成一個同步傳動裝置，一個皮帶輪帶有轉(zhuǎn)動手柄。

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)）通過組態(tài)界面對各個軸的電機(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)動器根據(jù)接收到的脈沖信號，產(chǎn)生多節(jié)拍脈沖驅(qū)動信號控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而完成運(yùn)動。

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)場設(shè)備的操作間，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“藥條自動鉆孔機(jī)控制面板”上的對應(yīng)按鈕，就會完成相應(yīng)的動作。如藥條已夾緊在底座上，只需點(diǎn)擊一下“鉆孔啟動”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個軸工作臺的運(yùn)動速度在一定范圍內(nèi)可以無級調(diào)節(jié)，點(diǎn)擊控制面板上的“進(jìn)給速度設(shè)定”對話框后，就進(jìn)入速度調(diào)節(jié)界面，用鼠標(biāo)拖動對應(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)動速度發(fā)生變化。如需要查詢某一時刻的速度信息，可點(diǎn)擊控制面板上的“歷史曲線”對話框，便進(jìn)入歷史曲線面板，改變時間，便可得到速度與時間的關(guān)系曲線。也可點(diǎn)擊電機(jī)“數(shù)據(jù)查詢？”對話框，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)動器、步進(jìn)驅(qū)動器的使用方法，對其設(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，它主要用來控制各個軸的工作臺做定位運(yùn)動，同時設(shè)置定位運(yùn)動的最大速度、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個緩沖寄存器，每個緩沖寄存器有16位，參數(shù)范圍大的用2個緩沖寄存器存放數(shù)據(jù)，參數(shù)范圍較小的用1個緩沖寄存器存放數(shù)據(jù)，它的寄存器用符號BFM＃和數(shù)字來表示。

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，這個設(shè)置一定要和步進(jìn)驅(qū)動器及交流伺服啟動器的設(shè)置一致，否則會導(dǎo)致三軸的電機(jī)不能正常正反轉(zhuǎn)動。BFM＃12是工作臺執(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)信號的數(shù)目設(shè)置，對于沒有反饋信號的步進(jìn)驅(qū)動器，這個設(shè)置為0即可，對于閉環(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，這樣工作臺碰到近點(diǎn)開關(guān)后，PGU接受的零點(diǎn)信號達(dá)到BFM＃12的值時，工作臺立刻停止，該位置即為原點(diǎn)。原點(diǎn)位置的坐標(biāo)值由各個軸PGU的BFM＃14和BFM＃13來設(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來設(shè)置，寄存器的每一位代表一個操作模式，在程序中通過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)模式用來調(diào)試3個軸電機(jī)是否能正常工作；回原點(diǎn)操作模式是藥條自動打孔之前必須執(zhí)行的操作，因?yàn)楣ぷ髋_回到原點(diǎn)后，就把當(dāng)前位置設(shè)置為0值，當(dāng)打孔程序啟動后就把原點(diǎn)位置的坐標(biāo)值作為鉆床加工每個孔移動距離的參考；單速定位操作模式是自動打孔用到的工作模式，各個軸工作臺以一種速度從一個點(diǎn)移動到另一個點(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用來存儲各個軸工作臺當(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)動器參數(shù)時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，可知一個脈沖走0.01mm，那么設(shè)置步進(jìn)驅(qū)動器的步進(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)動器參數(shù)設(shè)置

和步進(jìn)驅(qū)動器一樣，交流伺服驅(qū)動器的大部分參數(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，通過交流伺服驅(qū)動的電子齒輪比參數(shù)的設(shè)置可以改變其精度。通過設(shè)置驅(qū)動器的配置參數(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)場的環(huán)境下工作，操作方法簡單，工作人員只要點(diǎn)一下組態(tài)界面啟動打孔按鈕就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控全自動打孔工作。