PLC在钻孔动力头上的简单运用

范 东，刘红梅

（湖北文理学院汽车与工程学院，湖北 襄阳441053）

PLC在钻孔动力头上的简单运用

范 东，刘红梅

（湖北文理学院汽车与工程学院，湖北 襄阳441053）

以三菱的FX2N-80MR-D型号的PLC作为主控制器，设计了一套自动钻孔的控制系统。通过程序设计与调试解决了传统设计的钻孔动力头在钻孔进行到一半停电后恢复供电会导致的钻头卡住无法启动的问题，并实现了主轴的自动快进、工进、停留和回退。此设备可以用于PLC的基础教学，也可以作为课程的实验设计参考。

PLC；钻孔；自动控制；教具；简单

0 引言

传统的钻孔过程大多是工人们在钻床上手动操作加工的，这样的加工方法具有成本高，加工的质量不稳定而且很难与其他加工设备互相通讯等缺点。而使用PLC的控制系统就可以很好的解决这一问题，PLC具有抗干扰能力强，通用性好，编程方法简单易学并具有完善的监视和诊断的功能等一系列的优点，并且在结构上可以使用空余的PLC输入端子[1]来实现与其他自动化设备的通讯。本次设计使用型号为TD8-130的动力头来钻φ5的小孔。以此动力头作为对象，使用PLC对其进行控制，并按照实际的工作过程及要求，对所编制程序进行了现场调试，其运行结果与实际要求一致。

1 基本结构和控制要求

设计的控制系统由快速电机、慢速电机、2个动合按钮、主轴旋转电机、3个动合的行程开关[1]、断路器、电源、4个接触器[1]等组成。系统的控制要求为：

（1）在系统工作前，控制系统需要判断主轴是否在初始位置，如果是系统进入等待命令状态，否则进入快退恢复到初始位置。

（2）当按下启动按钮且动力头在原位时主轴开始快速进给，同时主轴开始旋转。

（3）主轴到达指定位置后，切换到工作进给，主轴保持旋转。

（4）主轴到达最下端后，主轴停止进给并保持旋转，开始10 s延时。

（5）延时结束后主轴停止旋转并快退到原始位置。另要求断电后重新上电可以自动回复到初始状态。

分析：要使主轴到达指定位置后PLC能够感应到，此时需要在初始位置，快进切换到工进的位置和最下端应该分别安装限位开关ST3、ST1和ST2.钻孔的流程图如图1所示。

图1 钻孔动力头流程图

2 对PLC的选型与I/O口的分配

（1）I/O口的分配如表1所示。

表1 I/O口分配表

（2）PLC选型

输入口有：启动按钮SB1，停止按钮SB2，限位开关ST1，限位开关ST2，限位开关ST3共5个接口。

输出接口有：控制快速电机正传的接触器线圈KM1，控制慢速电机启动的接触器线圈KM2，控制快速电机反转的接触器线圈KM3以及控制主轴旋转的线圈KM4.

综合需要5个输入的PLC端子，4个输出的PLC端子，查询PLC的型号表选择三菱的FX2N-80MRD型号的PLC此PLC拥有8个输入端子和8个输出端子。

3 设计外部接线图

如图2所示按照设计的表格严格连接外部设备与PLC的端子时需要注意所有的输入端子都必须要与com口[1]相连接，这样PLC才可以通过检查端子与com口之前电路的通断来判断开关是处于什么状态。另由于此型号PLC的工作电压只有24 V，考虑到无法带动接触器的线圈动作因而在输出回路中串联了一个电源，同样输出回路也需要连接到指定的com口，另外在输出回路的总路线上串联一个断路器来确保安全。

图2 PLC外部接线图

4 控制程序设计

连接完外部接线图后，根据控制需求对此PLC进行程序的写入，此程序的SFC程序图[2]如图3所示，当PLC通电的瞬间M8002[1]会产生一个脉冲PLC进入SO状态，此为初始状态，这状态下系统处于等待命令状态。

图3 SFC程序图

（1）一般过程

1）快速进给：当按下启动按钮SB1后PLC会检查行程开关ST3的状态，确保钻头在初始位置后，满足了条件X001，系统进入状态S20此时系统开始工作要求钻头的主轴开始旋转并开始向前快速进给，由I/O口分配表可知此状态下PLC需要接通Y4与Y2端子。

2）过渡阶段：当主轴碰到行程开关ST1后X003条件得到满足系统进入过度状态S21此状态的前后2个状态都有Y4接通的命令，所以加入此过渡状态防止出现双线圈。

3）工作进给：由于M8000[1]为无条件输出的继电器所以系统很快进入状态S22，此状态下转头即将接触到工件，主轴需要进入工作进给状态同时主轴必须保持旋转，则此状态下PLC的Y4和Y2端子会被接通。

4）停滞阶段：碰到ST2后条件X004得到满足系统会进入到过渡状态S23，此状态作一个分隔的作用并以M8000作为跳转条件直接进入到下一个状态，到达S24后，为了钻孔的精度主轴需要继续旋转，因此在此状态下Y4需要接通，同时为了设定钻孔时间需要调用到计时器，此时调用计时器T0开始计时并设定设定K=100.

5）快退阶段：T0[2]是一个100 ms的定时器在设定值K=100后系统会记录计时器发出的脉冲的次数，在达到设定的次数即10 s后发出信号使系统状态转移到S25，此时Y3得电主轴快退，当退到初始位置后ST3动作，X005接通PLC回到状态S0完成一次循环。

（2）特殊过程

断电的恢复过程：当此钻孔动力头在钻孔到一半时如果遇到停电，PLC的所有功能都停止，本次设计没有使用S500～S899[2]的具有状态保持功能的状态元件因而数据会全部丢失，在PLC重新上电后M8002发送脉冲PLC进入状态S0，此时PLC会检测到X005处于断路状态，即钻头由于停电不在初始位置，后PLC会直接跳到状态S25使主轴快退回到压住行程开关ST3的位置后X005接通回到初始状态S0使系统完成复位，后从新开始等待命令。

停止过程：在按下开关SB2后，条件X001满足，PLC的所有端口都断开，所有电机都停止转动。

5 安装与调试

PLC控制的钻孔系统中为弱电，强电的混合系统，因而再控制柜的元件布置后走线上需要考虑到对元件的保护，如尽量使PLC远离发热设备以及变频器动力回路中的电线需要与PLC的输入输出回路分开，防止强电流进入PLC烧坏主机。同时接触器与PLC也需要保持一定的距离以减少电磁干扰。调试过程需要注意的是：

（1）电动机转向调整，再检修时，使用点动来验证电动机的转向是否正确。

（2）首次使用请验证PLC的断电回复能力：当钻头不在初始位置时断电，再次上点看系统能否自动恢复到初始状态。

（3）安装成功后请试验性完成一次自动钻孔的全过程，验证系统各零件是否正常工作。

（4）特别需要注意系统突然断电后的重启过程，如果恢复供电后主轴不在初始位置PLC在上电后会立刻控制主轴快退以回到初始位置，会存在有潜在的危险性。

按照要求完成安装与调试后进行钻孔测试，发现系统所钻的孔的直径精度较高，而孔的深度方面的精度有所欠缺，总体基本满足测试要求。

[1]冯清秀，邓星钟，周祖德，等.机电传动控制[M].武汉：华中科技大学出版社，2011：180-182.

[2]王永华.现代电气控制及PLC应用技术[M].2版.北京：北京航空航天大学出版社，2008.

Design Control System of Drilling Power Head Based on PLC

FAN Dong，LIU Hong-mei
（Department of Mechanical Engineering，Hubei University of Arts and Science ，Xiangyang Hubei 441053，China）

With mitsubishi’s fx2n-80mr-d model PLC as the main controller，a set of automatic drilling equipment was designed.Drilling power head has been solved by the programming and debugging in the borehole to restore power after a half way through a power outage can cause the bit jamming problem can’t be started，and implements the spindle automatic fast forward，work，and back.This equipment can be used for the basic teaching of PLC，as well as the experimental design reference for the course.

PLC；drilling；the automatic control；simpleness；teaching aid.

TP319

B

1672-545X（2017）09-0058-03

2017-06-10

（1）襄阳市科学计划项目，襄科业【2014】12号；（2）“机电汽车”湖北省优势特色学科群开发基金项目资助，项目编号XKQ2017018.

范 东（1996-），男，湖北仙桃人，学士，研究方向：机械设计制造及其自动化；刘红梅（1983-）女，湖北襄阳人，硕士，讲师，研究方向：机械设计与自动控制。