基于PLC的经济型龙门式数控钻床控制系统设计.pdf

2 0 1 1年6月 第 3 9卷 第 1 2期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAULI CS J u n ．2 0 1 1 Vo 1 ． 3 9 No ． 1 2 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 2 ． 0 2 3 基于 P L C的经济型龙门式数控钻床控制系统设计 李辉 ，戴怡 1 ．天津职业技 术师范大学 自动化与电气工程 学院，天津 3 0 0 2 2 2 ； 2 ．天津职业技术师范大学机械 工程学院，天津 3 0 0 2 2 2 摘要以可编程控制器为核心，采用上位机、伺服控制器、传感器和液压技术，设计 了经济型数控钻床控制系统 ， 使 数控钻床具备了精确定位、自动钻孔的功能。 关键词数控钻床；P L C ；伺服控制器 ；液压技术 中图分类号T G 5 2 7 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 2 0 6 7 3 De s i g n o f Co n t r o l S y s t e m f o r I n e x p e n s i v e Ga n t r y CNC Dr i l l i n g M a c h i n e Ba s e d o n P LC LI Hu i ， DAI Yi 1 ． S c h o o l o f A u t o m a t i o n a n d E l e c t r i c E n g i n e e r i n g ， T i a n j i n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y a n d E d u c a t i o n， T i a n j i n 3 0 0 2 2 2 ，C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， T i a n j i n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o gy a n d E d u c a t i o n ， T i a n j i n 3 0 0 2 2 2，C h i n a Ab s t r a c t T h e h o s t c o mp u t e r ，P L C a n d s e r v o c o n t r o l l e r ，h y d r a u l i c f e e d a n d s e n s i n g t e c h n o l o g y w e r e a d o p t e d t o d e s i g n C NC d ril l i n g ma c h i n e c o n t r o l s y s t e m．I t ma k e s t h e CN C d ri l l i n g ma c h i n e a c h i e v e t h e f u n c t i o n s o f p r e c i s e p o s i t i o n i n g a n d a u t o ma t i c d ri l l i n g ． Ke y wo r C NC d ri l l i n g ma c h i n e；P L C； S e r v o c o n t r o l l e r ；Hy d r a u l i c t e c h n o l o gy 在钢结构板材钻孑 L 加工中，若采用传统的人工装 夹、定位、钻孔的普通钻床的加工方法，存在着劳动 强度大 、辅助时间长 、生产效率低 、产品质量不稳定 等问题。而采用商品化的数控系统 ，由于价格 昂贵， 对于板材钻孔这种相对简单的加工，不可避免地在一 定程度上造成 了资源浪费，不能达到大众化使用的要 求。P L C控制的龙门式专用数控钻床及其控制系统就 可解决以上问题，其具有柔性强、加工质量稳定、效 率高、操作简单、经济实用等特点。 1 龙门式数控钻床总体设计结构 龙门式数控钻床加工的工件属于扁平类钢铁金属， 图 1 机床结构侧面示意图 采用立式钻床便于加工。因此，机床总体设计为立式 结构，其主要 由床身、工作台、龙 门架、液压系统、 主轴进给、 轴定位、Y轴定位的数控电气系统及润 滑系统 、排屑与冷却辅助系统等组成。机床结构侧面 示意图如图 1 所示 。 2 电气控制系统设计 电气控制系统主要包括四部分 ，即上位机组态监 控部分 、P L C控制部分、 ． Y轴伺服定位运动控制部 分和主轴变频调速器及液压动力钻进给部分。电气控 制系统主要硬件连接示意图如图2 所示。加工时，运 用 P L C和伺服控制器对数控钻床运动、定位和钻孔 进行实时控制 。 图2 电气控制系统主要硬件连接示意图 收稿 日期 2 0 1 0 0 5 2 0 基金项目国家 自然科学基金面上项目资助 5 0 8 7 5 1 8 6 作者简介李辉 1 9 6 2 一 ，男，教授，主要研究方向为智能检测及控制。电话 1 3 5 1 2 0 0 2 9 5 7 ，Em a i l l i h u i 2 9 5 7 s i - - 6 8 机床与液压 第 3 9卷 2 ． 1 上 位机 功 能设 计 利用上位机监控软件不仅可以编写定位钻孔 的 J n 3 文件 ，而且 还可在 上位 机 组态 环境 下 通过 对 画 面的操作实现对 P L C的数据传输和数控运行状态的 监控 。 1 编程功能。可用于手工编写加工程序 ，操 作者只需按格式要求把工件的尺寸及孑 L 位数据输入计 算机就能形成加工程序 ，还具有 C A D ／ C A M 的 D X F 文件 自动转换 成加 工程 序 的功 能 ，可将 C A D图形文 件拷入上位计算机 ，计算机可 自动生成加工程序和加 工 图形 。 2 数据处理。考虑参考点补偿等因素 ，将加 工程序文件编译运算转换为孔位的数据文件，其中包 括孔数 、钢板厚度 、板材 尺寸 、孑 L 径 、每孔 坐标 间的 相对x ／ y脉冲数据等，所有数据均采用带符号双整型 1 6 进制数表示。加工程序文件经编辑后 自动 传人 P L C数据 区。 3 显示功能⋯。通过上位机与 P L C间的 R S 一 2 3 2 C串口通信，在上位画面中实时显示 P L C输入输 出点的工作状态，对加工过程中x ／ y轴行走的位置以 及各部分动作和运转情况进行监控。 4 报警功能。当加工过程 出现异常时，在上 位机控制画面上出现闪烁，或者由电气控制柜上的报 警指示灯显示报警。 2 ． 2 P L C程序设计 P L C是该控制系统的核心 ，其除了完成该系统要 求的I ／ O控制功能外 ，更重要的是将上位机传输来的 数据信息转换为动作指令 ，以及把决定孔位的脉冲数 信息按顺序实时地输出给伺服控制器。 通过对数控钻床的工艺状况进行分析，P L C的输 入点要接来 自数控钻床控制柜中完成必要工作的按钮 和限位行程开关，分别为 1 0个按钮、8个旋钮和 6 个霍尔传感器 ，以及其他 1 1个输入信息；输出点主 要负责伺服 Y 轴定位、液压控制系统的电磁阀动作 以及变频器的运转等，分别需要对 2个伺服控制器 、 7个电磁阀、8个指示灯 以及润滑冷却排屑等辅助系 统进行控制 。 根据 P L C输入／ 输出点数量 以及输出控制形式 ， 确定了机型为性价 比高的三菱 F X 1 N - 6 0 M T可编程控 制器 ，特别是该 P L C有专门用于伺服控制器 的定位 功能指令，给程序设计 带来 了方便 ，如原 点 回归 D Z R N、相对位置 控 制 D D R V I 、绝 对位 置 控 制 D D R ． V A等指令 。程序中专用指令使用如图3 所示。 J _ D Z R N K 2 0 0 0 0 K 5 0 0 X 0 2 6 L 。 原点回归爬行速度x 轴原点开 速度 关信号 _ 』 1 D R V I K 9 9 9 9 9 9 D 1 0 0 Y 0 O 0 输出脉冲伺服电机x 轴脉冲输 向最大值 转速 出 J_ D D R V A D 3 4 0 Z 0 D1 0 0 Y 0 0 0 孔坐标x 绝 伺服电机x 轴脉冲输 对位置 转速 出 Y 0 0 0 ] j x 轴脉冲输_ J l 出 l l Y 0 0 4 x 轴方向符J I 号 l I Y 0 0 4 1 J x 轴方向符 J f 号 l I 图3 定位功能指令 工作过程分为手动运行和 自动运行两种，自动运 行功能工作流程如图4所示。 图 4 数控 钻床 自动方式工作流程图 2 ． 3伺服 机 构设 计 在定位设计 中，配备了具有 “ 高性能的实时 自 动调整增益”功能、可执行多种控制方式的松下 MI N A S系列全数字化交流伺服系统 J 。该 系统具有对 运转速度的快速响应性，能快速、高分辨率地检测出 电机转速；具有高性能的机械适应性，无论对易振动 的传送带驱动机械 ，还是高刚性的丝杠传动机械，以 及其他超低振动所导致的不稳定状况都能得到有效的 第 1 2 期 李辉 等基于 P L C的经济型龙门式数控钻床控制系统设计 6 9 抑制 ；具有 自行调节性，通过设定系统的最佳参数 ， 实时地对 已经安装完成的整个系统的增益参数进行 自 适应调节 ，驱动器与电机间通过编码器形成的反馈闭 环连接达到自动调整功能。伺服机构的设计克服了丢 步或过冲现象，实现了高速高精度定位。 在系统中采用P L C作为控制器的位置控制方式， 高速脉冲输出对应伺服系统输入所需的脉冲信号。其 中，频率决定x ／ y 轴位移速度，脉冲数量决定位移距 离，脉冲数值符号决定移动方向。 伺服机构中编码器设置为增量式 2 5 0 0 P ／ r ，分 辨率达 1 0 0 0 0 ，在滚珠丝杠的螺距为 1 0 m m、伺服 电机与丝杠间采用变比 1 2的同步齿轮皮带连接的情 况下 ，相应的位移设计则为 1 0 m m ／ 5 0 0 0 P 。考虑机 械振动和连接缝隙等因素 ，相邻两孔的间距误差控制 在 - t- O ． 0 2 m m 之内。 3 液压系统设计 3 ． 1 工件 夹紧与 轴锁紧 在钻削前，用液压夹钳将工件卡紧在工作台上， 借助夹钳的定位面，使工件和机器数控坐标原点联系 起来，而且在钻削过程中维持足够的夹紧力。 轴向 是要整个龙门架的运动方向，当钻削工件时会产生一 个向上力作用于龙门架上，由于作用力频繁地施加于 丝杠和导轨上容易造成丝杠、导轨的变形，因此，在 钻孔工作时，必须使液压缸产生夹紧动作与机床底座 紧固物锁紧，以减小丝杠及导轨的受力形变。工件夹 紧与 轴锁紧的液压示意图如图 5 所示。 图5 液压系统示意图 3 ． 2液压 自控行程主轴动力钻 主轴为变频调速及液压自控行程钻削动力头。在 钻孔过程中，采用变频器控制电机转速，经齿轮减速 传动主轴 ，实现主轴变频无级调速。进给为液压位移 式自控行程，实现快进 、工进、 ’ 快退、停止动作且无 空程损耗。工作进给速度由液压节流阀调整设定。其 中液压系统如图5所示 ，液压动力钻行程位置检测传 感器分布如图6 所示。 图6 主轴进给缸传感器分布 整个进给缸滑套由上下两部分组成，中间用加装 弹簧的螺栓 固定 ，滑套上共安装有 3个霍尔传感器 S Q 3、S Q 4和 S Q 7 。钻孔开始时，电磁阀 Y V 5 、Y V 6 得电，钻孔缸快速进给，一旦钻头触碰到待加工工 件 ，液压缸内压力便迅速增大，当大于钻孔缸外部弹 簧的压力时，其作用力将上半部托起 ，传感器 S Q 4 接近金属部件就会产生信号 ，P L C接收到信号后立即 发出指令使电磁阀 Y V 5失电，此刻在油路上节流阀 的单独作用使行程速度减慢，动力头便以工进速度进 给执行钻孔。钻透工件的一瞬间，缸内压力突然减 小 ，外部弹簧作用使上半部位置复原 ，传感器 S Q 4 信号消失 ，同时 P L C发 出指令使 电磁 阀 Y V 6失电、 Y v 7得电，钻孔缸快速退回，遇到上限位传感器 S Q 3 时电磁阀Y V 7失电，主轴移动停止并等待下一钻孑 L 命令。 4 结束语 对于金属板材钻孔批量加工工序，自行设计专用 的数控 钻床 ，一方 面可以克 服人工 加工 时质量不稳定 和辅助时间长等问题，另一方面可以降低成本，减少 资源浪费。该数控钻床是一种机电液联合作用 的产 品，实现了加工过程的全部 自动控制，大大提高了加 工精度和生产效率。 参考文献 【 1 】 郭昌荣． F X系列 P L C的链接通信及 V B图形监控[ M] ． 北京 北京航空航天大学出版社， 2 0 0 8 ． 【 2 】三菱电气公司． 三菱微型可编程控制器 F X 1 S ， F X 1 N ， F X 2 N， F X 2 N C系列编程手册[ M] ． 2 0 0 1 ． 【 3 】松下电工． 松下 M i n a s A系列 A C伺服电机 驱动器技 术资料选编[ M] ． 2 0 0 1 ．