基于PLC的數(shù)控鉆床控制器設(shè)計研究

梁猛猛

[摘? ? ? ? ? ?要]? 數(shù)控機床是采用數(shù)字控制技術(shù)對機床切削運動進行控制的一種機電一體化產(chǎn)品，隨著軟件技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，其在工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。在數(shù)控機床中，鉆床主要用于對鉆孔、擴孔、鉸孔等多種形式的孔加工，其加工精度和效率直接影響加工零件的質(zhì)量。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 數(shù)控鉆床;PLC技術(shù);控制器設(shè)計

[中圖分類號]? TG527? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2020）47-0144-02

一、引言

數(shù)控鉆床是一種孔加工機床，主要用于進行鉆孔、擴孔、鉸孔等多種形式的零件加工。近年來，隨著信息技術(shù)和數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，促進了數(shù)控切削技術(shù)的同步發(fā)展。目前，在數(shù)控加工過程中，主要采用麻花鉆頭對零件進行深孔加工，與其他類型切削刀具相比，麻花鉆頭在鉆孔時，為避免損壞鉆頭，需頻繁地進退刀，且其主切削刃過長，不利于分屑和斷屑，這些問題的存在使得麻花鉆頭磨損較快，嚴重時容易影響零件加工表面和鉆孔效率。因此，為了確保深加工的效率和精度，基于PLC的數(shù)控鉆床控制器應(yīng)運而生，其操作方便、靈活，使用范圍廣。

二、基于PLC的數(shù)控鉆床控制器設(shè)計方案

（一）數(shù)控鉆床結(jié)構(gòu)及工作原理

鉆床結(jié)構(gòu)簡單，加工精度較低，主要用鉆頭在工件上加工孔。在各類鉆床中，搖臂鉆床比較適用于單件或批量生產(chǎn)中帶有多孔大型工件的孔加工，主要由工作臺主軸、搖臂、底座、內(nèi)/外立柱等部分組成。主軸箱安裝在搖臂水平導(dǎo)軌上跟隨搖臂繞立柱進行移動，搖臂可沿著立柱進行上下移動，以便可以加工不同高度的零件。在進行鉆削加工時，工件不動，刀具移動，鉆頭邊旋轉(zhuǎn)、邊切削、邊縱向進給。

（二）數(shù)控鉆床運動方式

1.主軸運動：鉆床鉆削時，主軸運動包括主軸旋轉(zhuǎn)運動（主軸帶著鉆頭的旋轉(zhuǎn)運動）和主軸縱向進給（主軸的垂直運動）。

2.輔助運動：主軸箱沿搖臂進行水平運動，搖臂沿外立柱進行垂直移動。

（三）方案設(shè)計

本文研究的數(shù)控鉆床主要用于鋼制環(huán)模深孔加工，其加工后成品如圖1所示。

PLC是一類以順序控制為主、回路調(diào)節(jié)為輔的通用型自動控制裝置，克服了傳統(tǒng)繼電器可靠性差、體積龐大等弊端，目前成為數(shù)控機床中實現(xiàn)順序控制的首要選擇。基于此，本文用PLC設(shè)計數(shù)控鉆床控制器系統(tǒng)，如圖2所示。

控制系統(tǒng)由以下幾個部分組成：PC客戶端（上位機）、控制面板、主控制器（PLC）、深孔鉆削控制模塊伺服電機、環(huán)模轉(zhuǎn)動定位控制模塊、液晶顯示模塊、數(shù)碼管顯示模塊和報警電路等。其中，PC客戶端與PLC通過RS232進行通信，控制系統(tǒng)輸入端主要用于接收控制面板信號，輸出端信號對伺服電機和步進電機進行驅(qū)動。環(huán)模轉(zhuǎn)動定位控制模塊實現(xiàn)對深孔的定位，深孔鉆削控制模塊伺服電機模塊實現(xiàn)對深孔的鉆削。液晶顯示模塊用于顯示鉆孔速度、鉆孔次數(shù)及鉆孔深度，可對鉆床加工中的鉆孔參數(shù)進行實時監(jiān)控、顯示及修改。

三、基于PLC的數(shù)控鉆床控制器系統(tǒng)硬件設(shè)計

數(shù)控鉆床控制器系統(tǒng)的核心部件是PLC，由于它易于編程、具有良好的自我診斷功能和高可靠性，被廣泛地運用于各種工業(yè)控制中。PLC中的各個部件包括CPU、I/0和電源等均采用模塊設(shè)計，同時，具有豐富的I/0接口，用戶可以自己的實際需求自行組合。在本設(shè)計中，利用PLC主要實現(xiàn)的功能有開關(guān)量的邏輯控制（定時控制、順序邏輯控制與組合邏輯控制）、鉆床運動控制、鉆床現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集處理、位置控制（通過控制步進電機和伺服電機來控制鉆機的鉆削位置、方向、速度）。

（一）主控制器設(shè)計

控制器是數(shù)控鉆床的重要組成部分，而PLC是控制器的核心部件。在眾多51系列單片機中，STC系列單片機對開發(fā)設(shè)備要求很低且開發(fā)時間較短，十分符合工業(yè)領(lǐng)域?qū)嶋H生產(chǎn)環(huán)境。

（二）直流開關(guān)量輸入模塊設(shè)計

PLC采用嚴格的生產(chǎn)規(guī)模與先進的抗干擾技術(shù)，因此，高可靠性是基于PLC數(shù)控設(shè)備的關(guān)鍵性能。在通常情況下，不需要采取任何措施就能直接在工業(yè)環(huán)境中使用。雖然如此，但是當(dāng)生產(chǎn)環(huán)境過于惡劣時，安裝不當(dāng)或受到強烈電磁干擾，就會導(dǎo)致運算錯誤或程序錯誤，從而產(chǎn)生錯誤輸入和輸出，在這種情況下就難以保障PLC正常運行。因此，在本設(shè)計中，為了提高基于PLC的數(shù)控鉆床控制器的抗干擾性和可靠性，在輸入電路中利用光電耦合器來增加抗干擾設(shè)計，如圖3所示。

其中，TLP521-1為光電耦合器，其作用主要是輸入信號與單片機隔開，同時對其信號進行濾波處理;在電路輸入端，將操作面板上的開關(guān)信號轉(zhuǎn)化為單片機正常運行的低電壓信號，當(dāng)開關(guān)閉合時，TLP521-1的發(fā)光二極管發(fā)光、三極管導(dǎo)通，發(fā)送動作信號到相應(yīng)繼電器，并向輸出端發(fā)送控制信號。

（三）繼電器輸出模塊設(shè)計

繼電器輸出模塊原理圖如圖4所示，主要作用是將單片機內(nèi)部的低壓信號轉(zhuǎn)換成能為可以驅(qū)動外部輸出設(shè)備的開關(guān)信號。

在圖中，繼電器既是開關(guān)器件，也是隔離器件。其中，光電耦合器TLP521-1的作用是將輸出信號與單片機隔開，實現(xiàn)PLC內(nèi)外部信號的隔離。當(dāng)開關(guān)量OUT0的輸出為低電平時，TLP521-1使得晶體管Q1導(dǎo)通，繼而使得繼電器K1的線圈通電，繼電器得電吸合，發(fā)光二極管D2發(fā)光。反之，當(dāng)開關(guān)量OUT0輸出高電平時，TLP521-1使繼電器K1觸點斷開，發(fā)光二極管D2熄滅。D4的作用主要是用于保護晶體管Q1。當(dāng)繼電器斷開時，由于繼電器線圈電感的存在，因而儲存有電能，這時晶體管Q1截止，在線圈兩端形成感應(yīng)電壓，晶體管容易被擊穿而遭到損壞，加入二極管可鉗制住集電極電壓，保護晶體管。繼電器輸出模塊的負載回路無須分辨極性，既能驅(qū)動直流負載，也可以驅(qū)動交流負載，其承受過流與過壓能力較強。外界電源及負載電源的大小由繼電器觸點容量所決定。

（四）串口通信模塊設(shè)計

串口通信模塊在PLC系統(tǒng)中占據(jù)了非常重要的作用。如圖5所示，在本設(shè)計中，采用RS232串口通信實現(xiàn)對PLC的編程及數(shù)據(jù)的交換功能。

其中，MAX232是專門用于RS232標(biāo)準串口中，進行單電源電平轉(zhuǎn)換的芯片。這是由于單片機串口為TTL電平，而PC串口為RS232電平，在進行串口通信時，必須進行電平的轉(zhuǎn)換。MAX232芯片使用+5V單電源供電。在串口通信過程中，利用單片機STC12C5A60S2的引腳RXD和TXD分別實現(xiàn)對信號的發(fā)送與接收。

四、基于PLC的數(shù)控鉆床控制器系統(tǒng)軟件設(shè)計

在本設(shè)計中采用Keil uVision4單片機開發(fā)工具和C語言進行程序編寫，主要實現(xiàn)以下三個模塊功能：控制面板功能、定位控制功能及深孔鉆削功能。在系統(tǒng)初始化后，選擇鉆孔類型，輸入鉆孔深度、擴孔深度、鉆孔速度、鉆孔個數(shù)等參數(shù)，步進電機帶動環(huán)模進行轉(zhuǎn)動、伺服電機控制鉆頭上下運動，在整個過程中，利用數(shù)碼管顯示鉆孔深度、鉆孔次數(shù)、鉆孔速度等參數(shù)變化。

在電路焊接結(jié)束后，利用萬用表對系統(tǒng)精確度進行驗證。將單片機STC12C5A60S2的引腳CLK連接到示波器上，當(dāng)示波器上顯示正弦波波形時，則說明單片機處于正常工作狀態(tài)。將引腳PWM連接到示波器上，檢測結(jié)果顯示，單片機輸出PWM波形正常，達到預(yù)期設(shè)計效果。

五、結(jié)束語

本文基于PLC設(shè)計了一種能夠?qū)︺@孔參數(shù)進行實時監(jiān)控、顯示及修改的數(shù)控鉆床控制器，通過改變控制參數(shù)，可以實現(xiàn)對鉆孔的定位和切削，克服了傳統(tǒng)人工鉆孔的弊端，使得鉆孔定位和切削更加精確，且加工精度更高，加工成本較低，比較適合環(huán)境比較惡劣的加工環(huán)境，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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◎編輯 原琳娜