基于PLC 的药条自动打孔数控钻床的研发❋

2015-12-31赵继宏孟瑞峰郭建东

机械工程与自动化 2015年1期

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 010051）

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11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ZJ-3104高速微型台钻主轴和电机组件，其额定功率为180W，钻夹头夹持直径范围为0.1mm～4mm，直流电机转速为0r/min～10 000r/min，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11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。

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，其中从轴承座延伸出的一端安装皮带轮，另一端安装手动锁紧轮，两轴皮带轮的直径大小一样，构成一个同步传动装置，一个皮带轮带有转动手柄。

图2 夹具的机械结构示意图

2 数控钻床的控制系统设计

控制系统是数控钻床的核心，本机选择了主从控制模式，控制系统电气原理图见图3。钻床的X轴和Y轴选用步进电机，Z轴选用伺服电机。

上位机（工控机）通过组态界面对各个轴的电机进行控制，可向下位机发送位置和速度命令。根据上位机的命令，下位机便产生脉冲序列，所产生的脉冲个数和频率即为控制电机的位置和速度指令。步进电机和交流伺服电机驱动器根据接收到的脉冲信号，产生多节拍脉冲驱动信号控制伺服电机旋转，从而完成运动。

图3 控制系统电气原理图

3 数控系统的配置

用户在隔离环境或远离现场设备的操作间，用鼠标点击“药条自动钻孔机控制面板”上的对应按钮，就会完成相应的动作。如药条已夹紧在底座上，只需点击一下“钻孔启动”软按钮，即可完成11根药条全部孔的加工。远控操作面板如图4所示。

图4 远控操作面板

数控钻床3个轴工作台的运动速度在一定范围内可以无级调节，点击控制面板上的“进给速度设定”对话框后，就进入速度调节界面，用鼠标拖动对应轴的“拉条块”，速度值便写到PLC的数据寄存器中，然后PLC通过程序写入定位模块，定位模块改变发生脉冲频率，使电机转动速度发生变化。如需要查询某一时刻的速度信息，可点击控制面板上的“历史曲线”对话框，便进入历史曲线面板，改变时间，便可得到速度与时间的关系曲线。也可点击电机“数据查询？”对话框，从而得到速度数据。

4 编程前参数的设置

本项目编程之前需要了解定位模块PGU、交流伺服驱动器、步进驱动器的使用方法，对其设置正确的参数。

4.1 PGU参数的设置

PGU是PLC的扩展模块，它主要用来控制各个轴的工作台做定位运动，同时设置定位运动的最大速度、最小速度、运行速度、电机调试的速度、定位的距离以及各种操作模式。PGU内部有30个缓冲寄存器，每个缓冲寄存器有16位，参数范围大的用2个缓冲寄存器存放数据，参数范围较小的用1个缓冲寄存器存放数据，它的寄存器用符号BFM＃和数字来表示。

BFM＃0，BFM＃1，BFM＃4，BFM＃5，BFM＃6，BFM＃7，BFM＃8，BFM＃9，BFM＃10，BFM＃11是各种工作模式速度的设置，这10个寄存器的值均由PLC写入。BFM＃3是PGU工作方式的定义，每位不同的值分别代表不同的含义，需要注意的是b8位的设置，b8位是脉冲输出格式设置，这个设置一定要和步进驱动器及交流伺服启动器的设置一致，否则会导致三轴的电机不能正常正反转动。BFM＃12是工作台执行回原点操作，碰到近点开关后，回原点之前接收零点信号的数目设置，对于没有反馈信号的步进驱动器，这个设置为0即可，对于闭环控制的交流伺服电机，如果BFM＃12设置不为0，PGU定位模块的PG0＋和PG0－端子必须使用，这样工作台碰到近点开关后，PGU接受的零点信号达到BFM＃12的值时，工作台立刻停止，该位置即为原点。原点位置的坐标值由各个轴PGU的BFM＃14和BFM＃13来设置，一般数控钻床设置为0值，这样方便其他位置参考。BFM＃15是加减速时间的设置。定位模块的操作模式有13种，比如回原点操作模式、单速定位操作模式、双速定位操作模式等。操作模式由BFM＃25来设置，寄存器的每一位代表一个操作模式，在程序中通过FROM指令把继电器的值送到PGU的BFM＃25中，PGU将执行相应的操作模式。本设计主要用到3个操作模式：回原点操作模式、单速定位操作模式和JOG正反转模式。JOG正反转模式用来调试3个轴电机是否能正常工作；回原点操作模式是药条自动打孔之前必须执行的操作，因为工作台回到原点后，就把当前位置设置为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。BFM＃18和BFM＃17是单速定位操作定位距离的设置。BFM＃20和BFM＃19是单速定位操作运行速度的设置。BFM＃27和BFM＃26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。