基于PLC的经济型龙门数控钻床

基于ＰＬＣ的经济型龙门数控钻床　Ｅｃｏｎｏｍｙ　ＣＮＣ　Ｄｒｉｌｌｉｎｇ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＰＬＣ　中国铝业山东分公司恒成机械制造厂罗辉栋　Ｌｕｏ　Ｈｕｉｄｏｎｇ　摘要：以ＰＬｃ为核心，采用上位机、伺服控制系统、传感器和液压技术，设计了经济型龙　门式数控钻床电气控制系统，介绍了机床的结构组成、电气控制系统方案和软件控制流程。　该机床具有精确定位、自动钻孔的功能，在很大程度上提高了生产自动化程度，节约了成本，　提高了效率。　关键词：数控钻床ＰＬＯ　伺服控制系统　Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＰＬＣ，ｔｈｅ　ｈｏｓｔ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ａｎｄ　ｓｅｒｖｏ　ｃｏｎｔｍｌ　ｓｙｓｔｅｍ，ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｆｅｅｄ　ａｎｄ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｗｅｒｅ　ａｄｏｐｔｅｄ　ｔｏ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｎｅｘｐｅｎｓｉｖｅ　ｇａｎｔｒｙ　ＣＮＣ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｗｅｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　Ｉｔ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｐｒｅｃｉｓｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ａｎｄ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ，ｔｈｅ　ｄｅｇｒｅｅ　ｏｆ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｉｎｃｍａｓｅｄ，ｃｏｓｔ　ｉｓ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ａｎｄ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｉｓ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＣＮＣ　Ｄｒｉｌｌｉｎｇ　Ｍａｃｈｉｎｅ　ＰＬＣ　Ｓｅｒｖｏ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　【中图分类号】ＴＧ５２７　【文献标识码】Ｂ　文章编号１６０６—５１２３（２０１３）０２—００４５—０４　ｌ　引言　加工，因此，机床总体设计一般为　润滑系统、排屑系统与冷却辅助系统　利用普通龙门式钻床进行钻孔作　立式结构，其主要由床身、工作台、　等构成。机床结构侧面示意图如图１　业，存在着劳动强度大、辅助时间长、　龙门架、液压系统、电气（数控）系统、　所示。　生产效率低、产品质量不稳定等问　题，而采用商品化的数控龙门钻床，　价格昂贵，对于钻孔这种相对简单的　加工，在一定程度上造成了资源浪　费，性价比低。用ＰＬＣ控制的龙门　式专用数控钻床就可解决以上问题，　而且具有柔性强、加工质量稳定、效　率高、操作简单、经济实用等特点。　２机床总体结构　床　Ｘ轴伺服电机　龙门式数控钻床加工的工件属于　扁平类钢铁金属，采用立式钻床便于　图１机床结构侧面示意图　ＷＷＷ．ＣＡ１　６８．ＣＯＭ　４５　３电系统设计　该机床电气系统主要由以下四部　分组成：上位机组态监控部分、ＰＬＣ　需要３１个，输出点需要２０个。　根据ＰＬＣ输人／输出点数量以　及控制形式，确定选用三菱ＦＸ１Ｎ一　此次设计的数控钻床的伺服控制　系统结构图如图３所示。　（１）工艺原理：本数控钻床需要　控制部分、ｘ、Ｙ轴伺服定位运动控　制部分、主轴控制系统及钻头进给部　分。　６４ＭＴ可编程控制器，ＦＸ１Ｎ系列　对两轴进行定位控制，因而需要对伺　服系统采用位置控制模式。本项目　选用了在实际工业生产中使用较多　的松下（Ｐａｎａｓｏｎｉｃ）Ｍｉｎａｓ　Ａ系列全数　字化交流伺服驱动器及与其配套的　ＰＬＣ具有紧凑的设计、良好的扩张性、　低廉的价格及强大的指令，有１２８种　２９８条应用指令，特别是该ＰＬＣ有　３．１上位机功能设计　利用上位机监控软件不仅可以编　专门用于伺服驱动器的定位功能指　写定位钻孔的加工文件，而且还可以　在上位机组态环境下通过对画面的　操作实现对ＰＬＣ的数据传输和数控　运行状态的监控。　（１）编程功能：可进行手工编写　加工程序，操作者只需按格式要求把　工件的尺寸及孔位数据输入计算机　就能形成加工程序，还可以把ＣＡＤ／　ＣＡＭ的ＤＸＦ文件自动转化成加工　程序，这样把ＣＡＤ的图纸文件拷人　计算机，计算机就可自动生成加工程　序和加工图形；　（２）数据处理：将加工程序文件　编译运算转换为孔位的数据文件，包　括孔数、钢板厚度、钢板尺寸、孔　径、每孔坐标间的相对Ｘ／Ｙ脉；中数　据等。加工程序文件经编译后自动传　人ＰＬＣ数据区；　（３）显示及报警功能…：通过上　位机与ＰＬＣ之间的ＲＳ一２３２Ｃ串口通　信，在上位机画面中实时显示ＰＬＣ　输入输出点的工作状态，并对加工过　程中Ｘ／Ｙ轴行走的位置以及各部分　动作和运转情况进行实时监控。当加　工过程中出现异常时，在上位机控制　画面上出现闪烁，进行故障报警。　３．２ＰＬＧ系统设计　ＰＬＣ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；中数信息按顺序实时地输　出给伺服驱动器。　通过对龙门式数控钻床的控制和　工艺状况进行分析，ＰＬＣ的输入点　４６　ＰＬＣ＆ＦＡ　ｒ————一　令，如原点回归ＤＺＲＮ、相对位置控　松下伺服电机　ｊ。该系统具有对运转　制ＤＤＲＶＩ、绝对位置控制ＤＤＲ－ＶＡ　速度的快速响应性，能快速、高分　等指令　］，这些指令给程序设计带来　辨率地检测出电机转速；具有高性　了方便，和伺服机构配合可完成主轴　能的机械适应性；具有自行调节性，　在平面内的精确定位。工作过程分为　通过设定系统的最佳参数，实时地对　手动运行和自动运行两种工作方式，　已经安装完成的整个系统的增益参　其自动方式工作流程如图２所示。　数进行自适应调节，伺服驱动器与电　３．３伺服机构的设计　机间通过编码器形成的反馈半闭环　图２自动方式工作流程图　容易造成丝杠、导轨的变形，因此，　肌　伺服　一娄　联　／ｉ　／　在钻孔作业时，必须使液压缸产生　压力来夹紧ｘ、Ｙ轴，液压缸产生的　压力要有压力继电器进行压力检测，　ＰＬＣ　———－————●　驱器动　　一＼《ｊ　图３数控钻床的伺服控制系统结构图　并将之与钻削动作建立起电气互锁，　只有在ｘ、Ｙ轴达到夹紧要求后方可　进行钻削工作，否则，无法进行钻削　连接实现了自动调整功能。伺服机构　的这种设计克服了丢步或过冲现象，　实现了高速高精度定位。　（２）电控原理：在系统中采用　ＰＬＣ作为伺服驱动器的上位控制装　置向伺服驱动器发送指令脉冲，伺　服驱动器设置为位置控制模式，在位　置控制模式下，通过输人的脉冲来使　伺服电机定位运行，脉；中频率决定　Ｘ／Ｙ轴位移速度，脉冲数量决定位移　距离，脉；中数值符号决定位移方向。　伺服驱动器接收ＰＬＣ发出的位置指　令信号（脉冲／方向），送人脉冲列　形态，经电子齿轮分倍频后，在偏差　可逆计数器中与反馈脉冲信号比较　后形成位置偏差信号。位置偏差信　号经位置环的复合前馈控制器调节　后，形成速度指令信号。速度指令　信号与速度反馈信号（与位置检测装　置相同）比较后的偏差信号经速度环　比例积分控制器调节后产生电流指　令信号，在电流环中经矢量变换后，　由ＳＰＷＭ输出转矩电流，控制交流　伺服电机的运行。　（３）伺服控制精度：位置控制精　度由光电编码器每转产生的脉；中数　控制。本设计中采用的是５线制增量　式光电编码器（２５００个脉冲／转，分　辨率为１００００），在滚珠丝杠的螺距为　ｌＯｍｍ、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１０ｍｍ／５０００Ｐ。　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±Ｏ．０２ｒａｍ　之内。　３．４主轴调速系统　钻床根据材料及孔大小的不同需　工作。　要使用不同的钻头，这就要求主轴　４．２主轴动力钻进给控制　转速变化的范围要满足系统的要求。　进给设计为液压位移式自控行　变频调速具有调速范围大，调速平　程，能实现快进、工进、快退、停止　滑，准确性及相对稳定性高等优点，　动作且无空程损耗，工作进给速度由　尤其是低速特性较硬，具有一定的扰　液压节流阀调整设定。主轴行程位置　动能力，它可以根据负载要求实现恒　检测传感器分布如图４所示。　转矩和恒功率调速，能量利用率高，　整个进给缸滑套由上下两部分组　节能效果明显　】。通过分析比较，选　成，中间用加装弹簧的螺栓固定，滑　用西门子ＭＩＣＲＯＭＡＳＴＥＲ　４４０变频　套上共安装有３个霍尔传感器ＳＱ７、　器作为主轴调速器。　ＳＱ８、ＳＱ９。钻孔开始时，下降和快　进电磁阀得电，钻孔油缸快速进给，　４液压控制系统　一旦钻头触碰到待加工工件，液压　４．１工件夹紧与Ｘ轴锁紧控制　缸内压力便迅速增大，当大于钻孔　在钻削工作前，用液压钳将工件　缸外部弹簧的压力时，其作用力将　卡紧在工作台上，借助夹钳的定位　上半部托起，传感器ＳＱ８接近金属　面，使工件和机床数控坐标原点联系　部件就会产生信号，ＰＬＣ接收到信　起来，而且在钻削过程中维持足够的　号后立即发出指令使快速电磁阀失　夹紧力。当进行钻削工作时，会在ｘ　电，液压油只能通过节流阀的单独　和Ｙ轴方向上产生很大的力的作用，　作用而使行程速度减慢（此速度可通　快进，工进传　礤器ＳＱ８　图４主轴行程位置检测传感器分布图　（下转第７８页）　１＾ｎ＾ｎ＾，ＣＡ１　６８．ＣＯＭ　４７