基于PLC的數(shù)控鉆床控制器設(shè)計(jì)與研究

摘要：隨著智能制造技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)數(shù)控鉆床的加工精度提出了更高的要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)加工系統(tǒng)的自動(dòng)化控制，對(duì)于提高加工效率具有重要意義。根據(jù)鉆床加工需求，利用PLC技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)鉆床的加工方式進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種數(shù)控鉆床控制器。實(shí)踐證明，該控制器在保證工件加工精度的同時(shí)，大大降低了企業(yè)加工成本，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：PLC;數(shù)控鉆床控制器;觸摸屏

0 引言

在傳統(tǒng)制造行業(yè)中，普通鉆床主要采取人工裝夾、定位和鉆孔的加工方式，鉆孔的精度和效率受到工人操作熟練程度、疲勞程度等方面因素影響較大，存在工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、自動(dòng)化程度低、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、加工速度慢等諸多問題。而商品化的數(shù)控系統(tǒng)價(jià)格比較昂貴，在進(jìn)行一些簡單加工，比如鋼結(jié)構(gòu)板材等材料的加工時(shí)，容易造成資源浪費(fèi)，無形中增加了企業(yè)生產(chǎn)成本。用PLC控制數(shù)控鉆床，具有加工成本低、加工質(zhì)量穩(wěn)定、操作簡單、定位準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等顯著優(yōu)勢，與傳統(tǒng)的鉆床加工方式相比，基于PLC的數(shù)控鉆床控制器，能夠滿足企業(yè)生產(chǎn)需求，在保證孔系加工精度的同時(shí)，使數(shù)控鉆床控制更加簡單化、科學(xué)化。

1 基于PLC的數(shù)控鉆床加工要求

鉆床是一種用于鉆孔、鉸孔、擴(kuò)孔等孔類加工的機(jī)床，本文設(shè)計(jì)的是一種臺(tái)式數(shù)控鉆床，如圖1所示。

臺(tái)式數(shù)控鉆床設(shè)有活塞桿、液壓缸筒、皮帶輪和伺服電機(jī)。主軸由變頻器驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)皮帶進(jìn)行傳動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)主軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，鉆床Z向上下（垂直）運(yùn)動(dòng)，由液壓缸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行上下移動(dòng)。

基于PLC的數(shù)控鉆床加工過程為：首先將需要加工的工件放置于鉆床工作臺(tái)上，接著調(diào)整鉆床前后、左右的方向輪，讓工件位于鉆頭的垂直正下方，依次啟動(dòng)電機(jī)、液壓泵電機(jī)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)開關(guān)，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，鉆床開始對(duì)工件進(jìn)行加工。數(shù)控鉆床的控制功能主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）對(duì)鉆床進(jìn)行前后、左右方向的移動(dòng)控制。利用滾珠絲杠、滾珠螺桿控制鉆床前后、左右方向移動(dòng)。而前后、左右兩個(gè)方向的移動(dòng)，都需要通過手動(dòng)操作來對(duì)工件的具體位置進(jìn)行精確定位。

（2）對(duì)鉆床加工速度的控制。利用變頻器對(duì)鉆床的快進(jìn)、工進(jìn)、快退等速度進(jìn)行控制。

（3）對(duì)鉆床加工方式的控制。在鉆床加工工件的整個(gè)過程中，可以采取兩種方式進(jìn)行加工：第一種是手動(dòng)操作加工方式，在鉆床的啟動(dòng)、停止、主軸快進(jìn)、工進(jìn)、快退等關(guān)鍵環(huán)節(jié)處，分別設(shè)置開關(guān)按鈕，由人工控制每一步工序;第二種是自動(dòng)循環(huán)加工方式，當(dāng)啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)開關(guān)后，鉆床按照事先編寫的程序，自動(dòng)對(duì)工件進(jìn)行加工，當(dāng)程序結(jié)束時(shí)，加工結(jié)束。

2 基于PLC的數(shù)控鉆床控制器設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的PLC數(shù)控鉆床控制器，是在傳統(tǒng)鉆床加工基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)與創(chuàng)新，利用伺服電機(jī)控制鉆床進(jìn)給位置和速度，并采用PID算法進(jìn)行閉環(huán)控制。

2.1? ? 控制器硬件組成

控制器主要由主控器PLC、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等組成。PLC數(shù)控鉆床控制器系統(tǒng)組成如圖2所示，在控制過程中采用三菱GOT1000系列的PLC作為主控制器;輸入設(shè)備主要包括行程開關(guān)、控制按鈕和傳感器等;輸出設(shè)備主要包括電動(dòng)機(jī)、電磁閥、繼電器及鳴笛、報(bào)警器等負(fù)載。

數(shù)控鉆床的工作原理如圖3所示。其中，M1和M2分別為鉆床主軸電動(dòng)機(jī)和液壓泵電動(dòng)機(jī)，KM1和KM2為接觸器開關(guān)，F(xiàn)U為熔斷器，QS1和QS2為斷路開關(guān)，F(xiàn)R1和FR2為熱繼電器。當(dāng)電路中的線圈通電時(shí)，QS1和QS2斷開，F(xiàn)R1和FR2保護(hù)電機(jī)。

在基于PLC的數(shù)控鉆床加工控制過程中，主軸轉(zhuǎn)速受伺服電機(jī)控制，而轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性直接關(guān)系到鉆床的加工精度。因此，在電機(jī)伺服控制中，采用PID算法進(jìn)行閉環(huán)控制，對(duì)于控制主軸轉(zhuǎn)速起到十分重要的作用。

2.2? ? 控制器軟件設(shè)計(jì)

2.2.1? ? PLC控制器的I/O分配

本文設(shè)計(jì)的控制器主要采用手動(dòng)開關(guān)和觸摸屏兩種控制方式。當(dāng)控制器處于手動(dòng)開關(guān)控制方式時(shí)，由人工對(duì)鉆床的啟動(dòng)和停止進(jìn)行設(shè)置，這樣便于鉆床相關(guān)設(shè)備的調(diào)試、維修等;當(dāng)控制器處于觸摸屏控制方式時(shí)，可以選擇自動(dòng)循環(huán)加工和單周期加工模式，通過點(diǎn)擊觸摸屏開關(guān)，利用繼電器控制整個(gè)電路中線圈的通斷?？刂破鞯腎/O口接線圖如圖4所示。其中，X0為急停命令，X1為啟動(dòng)按鈕開關(guān)命令;X2、X3、X4和X5分別為檢測開關(guān)、快進(jìn)限位、工進(jìn)限位和快退限位等檢測信號(hào);SB1、SB2、SQ1、SQ2和SQ3分別為鉆床急停、鉆床啟動(dòng)、主軸快進(jìn)、工進(jìn)限位和快退限位的開關(guān)。

2.2.2? ? 程序流程

當(dāng)初始輸入脈沖為M8002時(shí)，鉆床控制器系統(tǒng)處于原位停止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)，由人工啟動(dòng)開關(guān)SB2，電源接通，PLC中的定時(shí)器T1啟動(dòng)線圈KM1和KM2，線圈通電，定時(shí)結(jié)束，液壓泵及主軸電動(dòng)機(jī)啟動(dòng);當(dāng)電路中檢測到工件時(shí)，SB3按鈕啟動(dòng)，此時(shí)工件被夾緊系統(tǒng)夾緊，啟動(dòng)PLC中夾緊定時(shí)器T2進(jìn)行定時(shí)，主軸開始快進(jìn)，在此過程中按下行程開關(guān)SQ1，主軸從快進(jìn)變?yōu)楣みM(jìn);按下底部行程開關(guān)SQ2，主軸從工進(jìn)轉(zhuǎn)變?yōu)橥Ａ?PLC開啟主軸停留定時(shí)器T3，到達(dá)定時(shí)時(shí)間后，主軸從停留轉(zhuǎn)變?yōu)榭焱?當(dāng)按下行程開關(guān)SQ3時(shí)，主軸停止快退;PLC啟動(dòng)無工件定時(shí)器T4，到達(dá)指定時(shí)間后，液壓泵及主軸電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。

2.2.3? ? 觸摸屏設(shè)計(jì)及仿真實(shí)驗(yàn)

PLC是數(shù)控鉆床控制器中的關(guān)鍵設(shè)備，鉆床的整個(gè)工件加工過程都是在PLC和觸摸屏的監(jiān)控下進(jìn)行的。其中，觸摸屏是數(shù)控鉆床控制器實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)的界面，在實(shí)際加工過程中，操作人員只需要通過觸摸屏就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。根據(jù)鉆床加工和控制器設(shè)計(jì)要求，筆者選用型號(hào)為MCGS的TPC1162Hi觸摸屏，作為本次設(shè)計(jì)中的監(jiān)控設(shè)備，既可以進(jìn)行系統(tǒng)的自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行和停止，又可以通過手工操作的形式進(jìn)行工件加工。

觸摸屏功能界面如圖5所示，在MCGS中利用PLC和搬運(yùn)機(jī)械手等，建立觸摸屏控制功能界面，在數(shù)控鉆床控制器系統(tǒng)線路連接之后，可以根據(jù)不同的控制方式，設(shè)置電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的PID值。

為了便于更好地觀察控制器的設(shè)計(jì)效果，筆者利用MATLAB軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行樣機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行測試發(fā)現(xiàn)，PID控制階躍響應(yīng)時(shí)間與計(jì)算的理論結(jié)果相吻合，實(shí)踐證明，本文設(shè)計(jì)的PLC數(shù)控鉆床控制器具有合理性，并取得了良好的應(yīng)用成果。

3 結(jié)語

隨著數(shù)控技術(shù)的快速發(fā)展，PLC不僅具有強(qiáng)大的編程和邏輯處理功能，而且能集CPU、輸入輸出、電源、功能、信號(hào)等模塊于一體，應(yīng)用非常靈活和方便，在數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用廣泛。本文將PLC運(yùn)用于數(shù)控鉆床控制器設(shè)計(jì)中，接線比較簡單，完全能滿足加工工藝和精度要求，通過控制電動(dòng)機(jī)可以調(diào)節(jié)PID參數(shù)，對(duì)鉆床進(jìn)給速度進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。實(shí)踐證明，基于PLC的數(shù)控鉆床控制器，提高了數(shù)控鉆床的工作效率與自動(dòng)化水平，不僅使系統(tǒng)工作穩(wěn)定、安全可靠，產(chǎn)品加工質(zhì)量顯著提高，而且極大地減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，使產(chǎn)品生產(chǎn)更加人性化、科學(xué)化。

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收稿日期：2020-08-04

作者簡介：李崇（1988—），男，江蘇宿遷人，講師，從事德育和機(jī)電教學(xué)工作。