1、引言

傳統(tǒng)的普通鉆床鉆孔的精度和效率受到工人的熟練程度、疲勞程度等人力因素影響較大，要想達(dá)到高精度和高效率就十分不容易。基于此問題，我們開發(fā)了數(shù)控鉆床，它可以按照輸入的進(jìn)刀曲線連續(xù)工作，始終保持高精度和高效率。

2、控制要求

數(shù)控鉆床的控制要求為:（1）控制系統(tǒng)應(yīng)可調(diào)整鉆孔加工程序選擇;（2）不同的加工階段可以選擇不同的加工速度和加工深度。空程的時(shí)候的進(jìn)刀曲線如圖1所示，加工的進(jìn)刀曲線如圖2所示:（3）主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)可調(diào)節(jié)，且范圍應(yīng)寬廣。（4）加工精度高，加工深度誤差小于0.05mm。

圖1 空程時(shí)候的進(jìn)刀曲線圖

圖2 加工的進(jìn)刀曲線圖

3、系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求配置硬件如下：

•控制器:1個(gè)西門子公司的s7-200系列cpu222plc; •人機(jī)界面:一個(gè)dp210; •外設(shè):2個(gè)步進(jìn)電機(jī)、2個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、2個(gè)三相電機(jī)、1臺(tái)變頻器、1個(gè)em222、8個(gè)電磁開關(guān)、4個(gè)光電傳感器和1個(gè)霍爾傳感器。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖

表1 輸入端子分配

表2 輸出端子分配

3.1 系統(tǒng)的i/o點(diǎn)分配

由硬件結(jié)構(gòu)圖可知，系統(tǒng)需要5個(gè)輸入點(diǎn)和14個(gè)輸出點(diǎn)。cpu222plc有8個(gè)輸入點(diǎn)和6個(gè)輸出點(diǎn)，因此需要增加一個(gè)擴(kuò)展模塊，選用有8點(diǎn)輸出的數(shù)字量擴(kuò)展模塊em222。輸入點(diǎn)是i0.0～i0.7;輸出點(diǎn)是q0.0～q0.5和q1.0～q1.7。分配情況見表1和表2;

3.2 控制器

系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備是plc。plc是以單片機(jī)為核心，專門用于工業(yè)過程自動(dòng)化控制的電腦器件，具有極高的可靠性和穩(wěn)定性。本系統(tǒng)選用西門子公司的s7-200系列cpu222plc作為控制核心，利用cpu222的2路獨(dú)立的20khz的高速脈沖輸出來控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。此高速脈沖信號(hào)不能用來直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，需通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將功率放大后才能起作用。5路數(shù)字量輸入分別與5個(gè)傳感器相連接，用來判斷鉆頭位置，步進(jìn)電機(jī)位置，工件的位置。14路數(shù)字量輸出中，有6路用來控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，8路用來控制電磁閥開關(guān)。

plc本機(jī)有一個(gè)通信口，為標(biāo)準(zhǔn)rs-485接口，在plc與上位機(jī)進(jìn)行通信時(shí)需將rs-485接口轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)rs-232接口，可以采用西門子提供的隔離型pc/ppi電纜進(jìn)行轉(zhuǎn)換。該電纜有撥碼開關(guān)可以進(jìn)行設(shè)置。在上位機(jī)上將控制軟件編寫好后，通過此線下載程序并監(jiān)視程序的運(yùn)行情況。為了降低成本，在程序調(diào)試好以后就可以不必用上位機(jī)進(jìn)行操作和控制，而是用簡單的操作面板即可，本系統(tǒng)選用的是dp210操作面板。

3.3 系統(tǒng)的外設(shè)

根據(jù)系統(tǒng)對鉆孔精度的高要求，選用步進(jìn)電機(jī)來控制孔的加工。步進(jìn)電機(jī)可以精確到一個(gè)脈沖，在本系統(tǒng)中一個(gè)脈沖的精度是0.005mm。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，從而控制鉆頭的動(dòng)作，完成鉆孔。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收plc的信號(hào)，包括cp步進(jìn)脈沖信號(hào)，dir方向信號(hào)，free脫機(jī)信號(hào)，經(jīng)過其內(nèi)部的功放電路和處理電路后輸出到后面連接的兩相步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)根據(jù)信號(hào)的變化來產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作。電磁閥直接接受來自plc的控制信號(hào)產(chǎn)生動(dòng)作。另外，plc直接接受傳感器的信號(hào)，通過內(nèi)部程序的運(yùn)算和邏輯判斷來決定輸出。

變頻器用來控制主軸三相電機(jī)的轉(zhuǎn)速。本系統(tǒng)中變頻器采用基本參數(shù)運(yùn)行模式，由電位器來設(shè)定運(yùn)行頻率，變頻器的啟動(dòng)和停止由外部端子控制。根據(jù)不同工件的特點(diǎn)，通過旋轉(zhuǎn)電位器來改變主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速，外部端子的信號(hào)由plc的第12路數(shù)字量輸出控制。

4、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件包括人機(jī)交互界面dp210程序和系統(tǒng)的主控程序plc程序。dp210程序完成操作人員同plc之間的對話，主要是各個(gè)操作畫面之間的相互切換和每個(gè)操作畫面當(dāng)中各個(gè)按鍵動(dòng)作所對應(yīng)的plc程序的控制位。程序畫面要與生產(chǎn)現(xiàn)場的工作流程相適應(yīng)，越是前面的畫面就越是使用頻率高的畫面。

plc程序接收到dp210的操作信號(hào)后，按照工作要求進(jìn)行整個(gè)鉆孔工作的控制。主程序的流程圖如圖4所示。 plc主控程序中的核心控制是對步進(jìn)電機(jī)的控制，啟動(dòng)1#步進(jìn)電機(jī)的程序如圖5，控制步進(jìn)電機(jī)方向的程序如圖6。

圖4 主程序的流程圖

圖5 1#步進(jìn)電機(jī)的程序圖

圖6 控制步進(jìn)電機(jī)方向的程序圖

5、結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)操作簡單，加工產(chǎn)品范圍廣，加工精度高，已經(jīng)成功應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中。該鉆床目前已經(jīng)在某表帶生產(chǎn)廠進(jìn)行表帶鉆孔生產(chǎn)。自從開始生產(chǎn)以來，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量顯著提高，廢品率明顯下降。同時(shí)，極大的減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。還可以用于其它精密器件的鉆孔，最小孔徑可達(dá)到0.5mm。