基于PLC控制的钻床设计.pdf

4 8 2 0 1 0 年 3 月 中国制造业信息化第 3 9 卷第 5 期 基于 P L C控制 的钻床设计 彭 永忠 永州职业技术学院 机械工程系， 湖南 永州4 2 5 0 0 0 摘要 根据钻床加工的要求， 采用可编程控制器 简称 P L C 实施对钻床加 工的 自动控制。主要 完 成对钻床主体控制电路、 P L C控制平 台、 梯形图和硬件 系统的设计 。此设计方法比采用数控 系统 控制该单元的成本降低 6 0 ％--8 0 ％， 并且同样可保证孔 系的加工精度， 在 I ／ O接 口上还可使用拓 展模块进行工艺的改进及 系统扩充， 具有较 强的实用性。 关键词 可编程控制器； 控制电路 ； 梯形图； 控制器 中图分类号 T P 2 7 3 ． 5 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 1 6 1 6 2 0 1 0 0 5 0 0 4 8 一O 4 在普通钻床中， 其钻削加工工序的动作过程一 般如下L 1 J 起动后 ， 夹紧装置动作 ， 冷却液打开 ， 同 时钻头快进， 当接近工件时， 限位开关闭合， 钻头快 速退 回。回到原位时， 钻头停止移动， 钻削工序结 束。钻孔的精度和效率受到工人的操作熟练程度 和疲劳程度等人为因素的影响较大， 很难保证高精 度、 高效率的加工。用P L C控制钻床电机的动作， 其成本低， 定位准确， 结构简单， 突破了传统工作台 结构特点， 并且使全部定位、 加工过程实现自动化。 与通用数控钻床相比， 其在保证孑 L 系同样的加工精 度条件下 ， 大大降低了生产的成本 ， 提高了效益 ， 有 很好的应用前景。 1 钻床的加工要求及控制电路设计 P L C控制的钻床要求为 1 钻孔加工程序是 可调整的； 2 不同的加工阶段可 以选择不 同的加 工速度和加工深度， 空行程时候的进刀曲线如图 1 速度 最快速度 启动速度 结束速度 时fn5 图 1 空行程进刀 曲线 图 所示 ， 加工的进刀曲线如图 2所示 ； 3 主轴转速应 可调节， 且范围应宽广； 4 加工精度高， 加工深度 误差小于 0 ． 0 5 ram； 5 在保证控制系统的安全 、 可 靠的前提下 ， 力求使控制系统简单 、 经济 ， 使用及维 修方便 ， 满足控制要求 ； 6 考虑到生产 的发展、 工 艺 的改 进及 系 统扩 充， 在选 择 可编程 控 制器 的 C P U模板及 I ／ O模板时 ， 应适当留有余量。 速度 加 1 速度 图 2加 工 中进 刀 曲线 根据上述要求 ， 其控制电路的输人信号 启动 、 停止信号； 限位开关 S 1 ， s 2 ， s 3 信号。输出信号 夹紧装置夹紧信号、 控制冷却信号、 快进信号、 工件 信号、 快退信号、 停止结束信号。可设计继电器逻 辑控制电路 ， 如图 3所示 。 2 P L C控制平台的结构及功能设计 2 ． 1 P L C控 制平 台的结构 对钻床的控制可采用步进 电机驱动的开环伺 服机构 ， 其结构由可编程控制器 、 环行脉冲分配器 、 步进电机驱动器、 步进电机和伺服传动机构等部分 组成。伺服传动机构中的齿轮 z 1 ， z 2 采取消隙措 施 ， 避免产生反 向死区或使加工精度下降； 而丝杠 传动副则应该根据该单元的加工精度要求 ， 确定是 否选用滚珠丝杠副。采用滚珠丝杠副 ， 具有传动效 率高 、 系统刚度好 、 传动精度高 、 使用 寿命 长的优 收稿 日期 2 0 0 9 1 2 1 7 ‘ 作者简介 彭永忠 1 9 7 4一 ， 男 ， 湖南永州人 ， 永州职业技术学院讲师 、 工程师 ， 主要研究 方向为数控技术。 智能控制技术 彭永忠基于 P L C控制的钻床设计 4 9 K1 一 夹紧控制 继电器 ； KM1 ～ 夹紧控制接触器 ； Tl 一 定 时器 ； K2 一 喷油控制继电器 ； K3 一 工进控制继电器 ； S1 一 快 速结束 限 位开关 ； 一 喷油驱 动电磁 阀 ； K M 2 一 快速控制接触器 ； K4 一 快退控制接触器 ； S 2 一 工进到位开关 ； KM3 一 工进控 制接触器 ； Ks 一 钻头退到原位后动作继电器作为下道工序的启动条件； KM。 一 快退控制接触器 图 3 继电器逻辑控制 电路 点 ， 但成本较高且不能 自锁。 2 ． 2 P L C控制平 台的功能 2 ． 2 ． 1 行程控制 P L C控制 平 台采用 数 字控 制来 实现 行程 控 制 。平台的行程正比于步进电机的总转角 ， 因此只 要控制步进 电机的总转 角即可 。由步进 电机 的工 作原理和特性可知， 步进电机的总转角正比于所输 入 的控制脉 冲个数 ， 因此可以根据伺服机构的位移 量确定 P L C输出的脉冲个数 2 N L／ d 式 中 L为伺服机构的位移量 ， mm； d为伺服机构 的脉冲当量， m m／ ll, 冲。 2 ． 2 ． 2 进给速度控制 伺服机构的进给速度取决于步进电机的转速， 而步进电机的转速取决于输入 的脉冲频率 ， 因此可 以根据该工序要求 的进 给速度 ， 确定其 P L C输 出 的脉冲频率[ 2 ] f f ／ 6 0 d 式中 为伺服机构的进给速度 ， mm／ mi n 。 2 ． 2 ． 3 进给方 向控制 进给方向控制 即步进电机的转 向控制 。步进 电机可以【 3 J 通过改变步进 电机各绕组的通 电顺序 来改变其转 向 ， 如三相 步进 电机通 电顺序 为 A A B B ～ B C C C A A⋯时步进电机正转； 当通 电顺序为 AACCC BBB AA⋯时步进 电机反转。因此可以通过 P L C输出的方向控制信 号改变硬件环行分配器 的输 出顺序或经编程改变 输 出脉冲的顺序来改变步进 电机绕组 的通 电顺序。 3 P L C梯形图的设计 用 P L C所提供的有关指令根据梯形 图编写程 序， 其程序清单见表 l 。 表 1 钻 L - r 序的P L C程序清单 序号 指令 序号 指令 1 RD 0 l 1 9 W RT 2 0 2 2 0R 3 0 1 2 0 RD O 4 3 AND． N0T 0 2 21 0R 3 0 4 4 W RT 3 0 1 2 2 W RT 3 0 4 5 RD 3 0 1 2 3 MC R 分支末 6 MC S 分支始 2 4 R D 3 0 4 7 W RT 2 01 2 5 AND ． NoT 3 0 4 8 TMR 1 定 时器 2 6 W_R T 2 0 4 9 RD TMlR 2 7 RD 2 0 4 1 0 WR T 3 0 2 2 8 MC S 分支始 1 1 RD 0 3 2 9 RD O 5 1 2 0R 3 0 3 3 0 0R 3 0 5 1 3 W RT 3 0 2 3 1 WR T 3 0 5 1 4 MC R 分支末 3 2 R D． No T 3 0 5 1 5 RD 3 0 2 3 3 WlKT 2 0 5 1 6 MC S 分支始 3 4 MC R 分支末 1 7 W RT 2 0 2 3 5 END 1 8 RD． N0T 3 0 3 根据上述逻辑控制 电路 ， 将外部输入信号连接 到 P L C的输人 口的接线端 ， 即与 P L C的输入继 电 器线图连接， 通常将这些输入信号源画在梯形图的 左边 ， 再将 P L C的输 出信号与外部执行元件相连 ， 并将其画在梯形图的右边。然后根据使用的内部 继 电器 、 定时器针 数器等单元绘制成梯形 图， 如图 4所示 4系统 的硬 件设计 根据系统的控制要求配置硬件如下。 5 0 2 0 1 0 年 3 月 中国制造业信息化第 3 9 卷第5 期 L 图4 逻辑控制梯形 图 控制 器 选 用西 门子 公 司 的 S 72 0 0系列 C P U2 2 2 P L C。人机界面 选用 DP 2 1 0 。外设 采用 2个步进 电机、 2个步进 电机驱 动器、 2个三相 电 机 、 1台变频器 、 1个 E M2 2 2 、 8个电磁开关 、 4个光 电传感器和 1 个霍尔传感器。系统硬件结构如图 5 [ 4 ] 所示。 l 竺 兰 竺 竺 步进 电机似 髓传感器 什位 传感器 操作 板 l I步进电机 入 CP U } 输 i i { 步进 } Il 机 驱动 器 } 乜 磁机构 图 5 系统硬 件 结 构 图 4 ． 1 系统 的 I ／ O点分配 由硬件结构图可知， 系统需要 5 个输入点和 l 4个输出点。C P U2 2 2 P L C有 8个输入点和 6个 输出点 ， 因此需要增加一个扩展模块 ， 选用有 8点 输出的数字量扩展模块 E M2 2 2 。输入点是 1 0 ． 0 ～ 1 0 ． 7 ； 输出点是 Q 0 ． 0 ～Q0 ． 5和 Q1 ． 0 ～Q1 ． 7 。分 配情况见表 2和表 3 。 4 ． 2 控制 器 系统的关键设备是 P L C。P L C是以单片机为 核心， 专门用于工业过程 自动化控制的电脑器件 ， 表 2 输入端子分配 智能控制技术 彭永忠基于 P L C控制的钻床设计 5 1 具有极高的可靠性和稳定性。本系统选用西门子 公 司的 S 72 0 0系列 C P U2 2 2 P I 作为控制核心 ， 利用 C P U2 2 2的 2路独立的高速脉冲输出来控制 步进电机的运动。此高速脉冲信号不能用来直接 驱动步进电机， 需通过步进电机驱动器将功率放大 后才能起作用 。5路数字量输入分别 与 5个传感 器相连接 ， 用来判断钻头位置 、 步进 电机位置、 工件 的位置。1 4 路数字量输出中， 有 6 路用来控制步 进电机驱动器， 8 路用来控制电磁阀开关。 P L C本机有一个通信 口， 为标准 R S一4 8 5接 口， 在 P L C与上位机进行通信时需将 RS一4 8 5接 口转换为标准 RS一2 3 2接 口， 可 以采用西 门子 提 供的隔离型 P C ／ P P I 电缆进行转换。该电缆有拨 码开关可以进行设置 。在上位机上将控制软件编 写好后 ， 通 过此线下载程 序并监视 程序 的运行 情 况。为了降低成本， 在程序调试好以后就可以不必 用上位机进行操作和控制 ， 而是用简单的操作面板 即可， 本系统选用的是 D t r 2 1 0操作 面板。 4 ． 3 系统 的外设 根据系统对钻孔精度的高要求， 选用步进电机 来控制孔的加工。步进电机可以精确到一个脉冲， 在本系统中一个脉冲的精度是 0 ． 0 0 5 ra m。步进电 机驱动器用于驱动 步进 电机 ， 从而控制钻 头 的动 作， 完成钻孔。步进电机驱动器接收 P L C的信号， 包括 C P步进脉冲信号、 D I R方向信号、 F R E E脱机 信号 ， 经过其内部的功放 电路和处理电路后输出到 后面连接的两相步进 电机 。步进 电机根据信号 的 变化来产生相应 的动作 。电磁阀的动作是通过直 接接收来自P L C的信号进行控制。另外， P L C直 接接收传感器的信号， 通过内部程序的运算和逻辑 判断来决定输 出。 变频器用来控制主轴三相电机 的转速 。本 系 统 中变频器采用基本参数运行模式 ， 由电位器来设 定运行频率， 变频器的启动和停止由外部端子控 制。根据不同工件的特点， 通过旋转电位器来改变 主轴电机的转速， 外部端子的信号由P L C的第 1 2 路数字量输 出控制。 5 结束语 将 P L C控制的开环伺服机构用于钻床控制， 其脉冲当量为 0 ． 0 1 --0 ． 0 5 m m， 进给速度 f 为 3 ～ 1 5 m／ mi n ， 完全满足工艺要求和加工精度要求 ， 且 系统运行稳定 ， 产品质量显著提高， 废品率明显下 降。同时 ， 极大地减轻了工人 的劳动强度 ， 提高 了 生产效率。 参考文献 [ 1 ] 张健民． 机电一体化系统设计[ M] ． 北京 北京理工大学出 版社 ， 2 0 0 2 ． [ 2 ] 余英 良． 数控机床加工技术[ M] ． 北京 高等教育出版社， 2 0 0 7． [ 3 ] 刘军 ．P L C在 工业 中 的应 用 [ N] ．电子 报 ， 2 0 0 60 92 8 5 ． [ 4 ] 黄风． 三菱 M6 4数控系统在钻削中心改造中的应用[ J ] ． 机床 电器 ， 2 0 0 8 6 2 62 7 ． De s i g n o f Dr i l l i n g M a c hi n e Ba s e d PLC Co nt r o l P ENG Yo n gz h o n g Y o n g z h o u Vo c a t i o n a l a n d Te c h n i c a l C o l l e g e ， Hu n a n Y o n g z h o u ， 4 2 5 0 0 0 ， C h i n a A b s t r a c t B a s e d o n t h e ma c h i n i n g r e q u i r e me n t o f d r i l l i n g ma c h i n e ， i t u s e s a p r o g r a mma b l e l o g i c c o n t r o l l e r r e f e r r e d t o a s PL Ct o c o n t r o l t h e p r oce s s a u t o ma t i c a l l y．I t s h o ws t h e ma i n c o n t r o 1 c i r c u i t ．P LC c o n t r o l p l a t f o r m，t r a p e z i f o rm c h a r t a n d h a r d wa r e s y s t e m ．Co mp a r e d wi t h NC s y s t e m ，t h i s d e s i g n c a n r e d u c e t h e c o s t o f t h e u n i t 6 0 8 0 ％ a n d e n s u r e t h e ma c h i n i n g p r e c i s i o n h o l e s ．t h e I／O i n t e r f a c e c a n a l s o b e u s e d t o e x p a n d t h e mo d u l e t o c a r r y o u t p r oce s s i mp r o v e me n t s a n d s y s t e m e x p a n s i o n． Ke y wo r d s P LC；Co n t r o l C i r c u i t ；Tr a p e z i Ch a r t ；Co n t r o l l e r 上接第 4 7页 Z h e j i a n g Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Z h e j i a n g Ha n g z h o u ，3 1 0 0 1 4 ， C h i n a Ab s t r a c t Ba sed o n t h e r e q u i r e me n t s o f p r oce s s i n g p e r f o rm a n c e a n d e f f i c i e n c y f r o m a c t u a l o i l p r e s s u r e d v e r t i cal fl a n g e l a t h e ．i t d e v e l o p s a b r a n d n e w o p e n NC s y s t e m f o r t wi nt u r r e t v e r t i cal l a t h e ．Th i s d e s i g n c a n ma k e t h e t wi nt u r r e t ’ S mo v e me n t s e p a r a t e d．I t u s e s t h e mod u l a r d e s i g n c o n c e p t i n s y s t e m a r c h i t e c t u r e ．Th e s y s t e m h a s a u n i f i e d s t a n d a r d i n t e r f a c e a n d b e t t e r o p e n c h a r a c t e r a mo n g t h e mod u l e s ，e n s u r e s t h e o p t i mu m p e r f o r ma n c ep r i c e r a t i o ． Ke y wo r d s Ve r t i c a l La t h e wi t h Twi nt u r r e t ；Op e n NC；Mo t i o n Co n t r o l C a r d