基于PLC的药条自动打孔数控钻床的研发.pdf

第 1期 总第 1 8 8期 2 0 1 5年 O 2月 机 械 工 程 与自 动 化 ME CHANI CAL ENGI NEERI NG AUTOMATI ON N o ．1 Fe b． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 5 0 1 0 0 9 8 0 2 基于 P L C的药条 自动打孔数控钻床 的研发米 赵继宏 ，孟瑞峰 ，郭建 东 内蒙古工业大学 机械 学院，内蒙古 呼和 浩特0 1 0 0 5 1 摘要 开发 了药条 自动打孔数 控钻 床。利用工业计算机和 P I C系统构成 数控 系统，x 和 y 轴选用步进 电机 ， z轴选用伺服 电机 ，每个 药条 均采 用 自行研发的 自定心 夹具来定 位，通过梯 形 图程 序实现 每次 l 1根 药条 的 全 自动、高 效加 工。 关键词 P I C；数控钻床 ； 自动打孔 中图分类号 T G5 2 7 T P 2 7 3 文献标识码 A 0 引言 某厂采用手动钻床加工药条 ， 首先 由工人用工具 直尺 和 圆规 对 孔 定位 ， 然后 采用 手 动钻床 加工 ， 这个 过 程 既费 时费 力 ， 且 药 条的定 位精 度不 高 ， 导致 产 品的 质量和产量都不能达到预期的 目标 。同时， 药条加工 过 程对 人 体也会 造 成 负 面影 响 ， 员工 作 业 的安 全 性 也 不 高 。为此 ， 开 发 了数控 钻床 进行 药 条 的加 工 ， 药条 的 中心直接通过钻床的 自定心夹具定位 ， 使加工效率大 幅提高 ， 且 加工 精度 要 高于 人工定 位 的精度 。 1 钻 孔机 机械 系统设计 数控 钻床 是根 据 用 户要 求 设 计 的非 标 装 置 ， 主 要 达到 对药 条 的钻孔 加 工 ， 一 次 装 夹 ， 完 成 1 1 根 药 条 的 自动 加工 药 条 根 数 取 决 于 y 轴 的行 程 ， 根 据 用 户 要 求可 以变 化 。数 控钻 床结 构示 意 图如 图 1 所 示 ， 它主 要 由 X 和 y轴 步进 电机 、 Z轴 带 电磁 制 动 的交 流伺 服 电机 、 滚 珠 丝杠 螺母 副 、 滚动 导轨 等组 成 。y轴 完成 水 平 方 向 的进给 或 后 退 ， Z轴 带 着 主 轴完 成 垂 直 方 向 的 钻削进给 ， X轴完成前后方向的进 给。药条通过 自定 心夹具由人工辅助夹 紧在专用 工装上 药条尺寸变化 不会影响钻孔 的中心位置 ， 再将专用工装定位装夹在 工作 台 上 。y 轴 和 Z 轴通 过 底 座 支撑 在立 柱 上 ， X 轴 位于水平面上。每根轴可 以单独运动， 也可以任意两 轴或 三轴 同时运 动 ， 运动模 式 取决 于加 工对 象 ， 最终通 过 编程来 实 现 。考虑 到 主轴 转 速 不 需 要频 繁 调 节 ， 采 用 Z J 一 3 1 0 4高速 微 型 台钻 主 轴 和 电机 组件 ， 其 额 定 功 率为 1 8 0 W， 钻夹头夹持直径范围为 0 ． 1 mm～4 mm， 直流电机转速为 0 r ／ mi n 1 0 0 0 0 r ／ mi n ， 通过旋钮可 实 现无 级调 速 。 由于本数 控设 备 为 点 位 控制 ， 只需 要 较 高 的定 位 精度 ， 故 各个 轴 的驱 动 电机 采 用 经 济 型 步进 电机 和 交 流伺 服 电机来 控 制 ， 性 价 比较高 。 由于每 次加 工 的 1 1 根 药条 的截 面大 小不 同 、 长度 相 同 ， 所 以需 要 开发一 套 自定心 的 多位夹 具 ， 不 管截 面 多 大 的药条 ， 其 中心 线 均 可 被 夹 具 固 定 在 同一 位 置 。 这套夹具通过圆销固定在 X轴工作台上 ， 夹具的机械 结 构示 意 图如 图 2所 示 。 黯由 导轨 机床底 座 图 1 数控钻 床结构示意图 图 2是 夹具 的正 面 剖 视 图 ， 夹 具 中每 个药 条 的两 侧 均有 1 个 勾状 夹板 ， 勾 状 夹 板 两 端 由带 弹 簧 的导 向 柱 固定 ， 导 向柱安 装 在 夹具 底 座 前 后 方 的 两 排导 向槽 内 ， 导 向柱 上方 是带 弹簧 的垂 直顶杆 ， 垂 直顶 杆 由两个 杆 、 一个 弹簧组成 ， 其中弹簧夹在两杆之间， 整个垂直 顶杆安装在弹簧座上。垂直顶杆上方的零件是偏心套 环 ， 偏心套环被套在轴上 ， 轴 的两端安装在轴承座上 ， 内蒙古教育厅 自然科学基金资助项 目 NJ Z Y1 3 1 1 7 收稿 日期 2 0 1 4 一 O 4 1 1 ；修订 日期 2 0 1 4 1 0 2 8 作者简介赵继宏 1 9 8 5 一 ，男 ，内蒙古乌兰察布人 ，在读硕士研究生 ，研究方向 机电装备一体化。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 O 2 机 械 工 程 与自 动 化 2 0 1 5年 第 1 期 4 ． 2驱 动 电路 的 构 成 本文采用 由东芝 TB 6 5 6 o芯片构成 的高细分驱动 器来 实现 X， y， Z轴 方 向上 步 进 电 机 的驱 动 。该 驱 动 器具 有如 下优 点 ① 白带 1 6细 分功 能 ， 能够 满 足 每 分 钟从几到近千转的应用要求 ， 且 电机振动小、 噪声低 ； ②大 电流 驱 动时 ， 芯 片的散 热 面便于 外连 散热 器 ， 也可 以直接连接在用户原有控制器金属壳体上 ， 嵌入式驱 动器 体积 小 巧 、 易 于散 热 。 T B 6 5 6 0步 进 电机 驱 动 电路 主要 包 括 3部 分 控 制信号隔离电路、 主 电路和 Ih动半 流电路 。因篇 幅所 限 ， 此处未给出其具体的电路图。 5 结论 本文设计 的经济型雕刻机属于典型的机电一体化 产品 ， 通过上位机对图形进行解 释并发 出指令给运动 控制卡 ， 实现雕刻机 x， y， z方向电机的联动 ， 从而完 成 对工 件 的雕刻 加 工 。该 雕 刻 机 具 有 结构 简单 、 易 于 控制 、 调试方便等特点， 适合于中小型企业的雕刻加工 以及 学校 进行 相关 课堂 演示 。 ’ 参 考 文 献 E 1 ] 徐铭 ， 徐 莉萍 ， 张正义． 基于 P C的教学 型数控雕刻机实验 系统开发 [ J ] ． 机床 与液压 ， 2 0 0 9 1 1 5 卜1 5 3 ． [ 2 ] 王欢 ， 吕盼稂 ， 竺 长安 ． 基于 US B总线的数控 雕刻机 控制 系统设计E J ] ． 组 合机床 与 自动 化加工 技术 ， 2 0 0 6 2 5 6 5 8． [ 3 ] 龚志远． 小型 C N C雕 刻机设计E J ] ． 组合机床 与 自动 化加 工 技 术 ， 2 0 1 1 3 1 0 0 1 0 3 ． E 4 ] 刘雷 ， 刘建群． 基 于运 动控 制卡的雕刻机数 控系统 的研究 与设计E J ] ． 组合机床 与 自动化加工 技术 ， 2 0 1 3 9 9 5 9 8 ． E 5 ] 蔺丽莉 ， 李晶 ， 李祥 文． 小型数 控雕 刻机结 构设 计与 实现 E J 3 ． 精 密制造 与 自动 化 ， 2 0 1 2 2 s d 一 3 3 ． E 6 ] 王党利 ， 宁生科 ， 马保吉． 基 于 MA CH数控软件 的三维雕 刻机结 构设 计与实现[ J ] ． 机械与电子 ， 2 o 1 0 8 2 7 3 0 ． S t u d y a nd De s i g n o f Ec o no m i c Th r e e 。 - d i me ns i o n a l Ca r v i ng M a c hi ne HAN W e n- ka i ，CHEN Ha i - d a，W U Zh i - g a n g，YANG Ch a o，ZHANG M u - k a i Ro n g c h e n g Co l l e g e ，H a r bi n Un i v e r s i t y o f Sc i e n c e a n d Te c hn o l o gy，Ro n g c h e n g 2 6 4 3 0 0，China Abs t r ac tI n or d e r t O s ol ve t he p r obl e m t h at s ma l l c u s t o mer c a n’ t a f f or d t h e e xp e ns i v e c a r vi n g ma c h i n e，t hi s pa p e r i n t r o du c e s t he de s i g n of a k i n d o f c he a p，e f f i c i e nt a nd e c o nomi c c ar v i n g ma c hi ne ． Thi s ma c hi ne h a s s i mpl e s t r u c t ur e a nd h i g h ma c h i n i n g a c c u r a c y ． The ov e r a l l s c he me of t he ma c hi ne，ha r dwa r e s t r u c t ur e， s of t wa r e f l o wc ha r t a nd r e l a t e d c i r c u i t a r e de s i gn e d，S O a s t o m e e t t he de ma nd of s ma l l e nt e r p r i s e o f c a r vi ng ． Ke y wor ds c ar v i n g ma c hi n e；mo t i on c ont r o1 c a r d；dr i v i n g c i r c ui t ；d e s i gn 上接 第 9 9页 为 0值 ， 当打孔程序启动后就把原点位置的坐标值作 为钻床加工每个孔移动距离的参考 ； 单速定位操作模 式是 自动打孔用到的工作模式， 各个轴工作 台以一种 速度从一 个点移动 到另一个点 。B F M 1 8和 B F M 1 7 是单 速 定 位 操 作 定 位 距 离 的 设 置 。B F M 2 0和 B F M1 9是单速定位操作运行速度 的设置。B F M2 7 和 B F M2 6 用来存储 各个轴工作 台当前位 置 的值。 这次设计的钻床用不到参数 ， 不需要设置 。 4 ． 2步进 驱 动 器参数 设 置 大部 分 电机 工作 的 参 数 在 P GU 中设 置 ， 设 置 步 进驱 动器 参 数时 只需 在 控 制精 度 上 和 P GU 设 置 一致 即 可 ， 比如 P GU 的脉 冲速 率是 每 转 4 0 0脉 冲 ， 丝 杠 的 导程 是 4 I T l m， 可 知一个 脉 冲走 0 ． 0 1 I T I IT I ， 那 么设 置 步 进驱 动器 的步进 细 分数要 把 精 度 控 制在 0 ． 0 1 mm， 并 且脉 冲输 出格式 要 和 P GU 设置 一致 。 4 ． 3 交流伺服 驱 动 器参数设 置 和步 进驱 动器 一 样 ， 交 流 伺 服驱 动 器 的 大 部 分参 数 由 P GU 决 定 。主要 是 精 度 和脉 冲输 出格 式 的设 置 要和 P G U 一样 ， 通 过 交 流 伺 服 驱 动 的 电子 齿 轮 比参 数的设置可以改变其精度。通过设置驱动器 的配置参 数可以改变脉冲输 出格式。 5 小结 本控 制 系统 以工业计 算 机作 为上 位 机 ， P L C、 扩 展 模块 及通 信模 块作 为下 位机 ， 上 、 下位 机构 成 了 主从 的 工作 模式 ， 方 便工 作人 员在 隔离 现场 的环 境下 工作 ， 操 作方 法 简单 ， 工作 人 员 只要 点 一 下 组 态 界 面启 动 打 孔 按钮 就 可 以实现数 控 全 自动打孔 工作 。 De v e l o p m e n t o f CNC Dr i l l i ng M a c hi ne Ba s e d o n PLC f o r Au t o ma t i c Pu n c hi n g ZHAO J i - h o n g，M E NG Ru i ‘ f e n g ，GUO J i a n - d o n g Co l l e g e o f M e c h a n i c a l En g i n e e r i ng，I n n e r M o n g o l i a U n i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y，H o h h o t 0 1 0 05 1，Ch i na Ab s t r a c t To t h e p r o b l e ms o f l o w wo r k e f f i c i e n c y a n d p o o r l a b o r e n v i r o n me n t i n t h e me d i c i n e ma c h i n i n g ，a CNC d r i l l i n g ma c h i n e f o r a ut o ma t i c p unc h i n g i n me di c i ne s t r i p s i s de v e l ope d ． The CNC s ys t e m i nc l ud i n g i ndu s t r i a l c ompu t e r a n d PI C i s s e t up，t WO s t e ppe r mot or s a r e u s e d t O c o nt r ol t h e mo t i o n i n X ，Y a xe s，a n d a s e r v o m o t or i s us e d t O r e a l i z e t he mot i o n i n Z a xi s ． A s e 1 f _ p os i t i on i n g f i xt ur e i s de v e l o pe d t O f i x t he me di c i ne s t r i ps，t he l a d de r di a gr a m p r o gr a m i s de s i g ne d，a nd t he a u t o ma t i c a nd e f f i c i e nt p un c hi n g o f me d i c i n e s t r i ps i s r e al i z e d． Ke y wo r d s PI C；CNC d r i l l i n g ma c h i n e ；a u t o ma t i c p u n c h i n g 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m