基于PLC的数控钻床控制器设计与研究

摘要：随着智能制造技术和社会经济的不断发展，人们对数控钻床的加工精度提出了更高的要求，实现对加工系统的自动化控制，对于提高加工效率具有重要意义。根据钻床加工需求，利用PLC技术对传统钻床的加工方式进行了改进，设计了一种数控钻床控制器。实践证明，该控制器在保证工件加工精度的同时，大大降低了企业加工成本，具有较强的实用性。

关键词：PLC;数控钻床控制器;触摸屏

0 引言

在传统制造行业中，普通钻床主要采取人工装夹、定位和钻孔的加工方式，钻孔的精度和效率受到工人操作熟练程度、疲劳程度等方面因素影响较大，存在工人劳动强度大、自动化程度低、产品质量不稳定、加工速度慢等诸多问题。而商品化的数控系统价格比较昂贵，在进行一些简单加工，比如钢结构板材等材料的加工时，容易造成资源浪费，无形中增加了企业生产成本。用PLC控制数控钻床，具有加工成本低、加工质量稳定、操作简单、定位准确、经济实用等显著优势，与传统的钻床加工方式相比，基于PLC的数控钻床控制器，能够满足企业生产需求，在保证孔系加工精度的同时，使数控钻床控制更加简单化、科学化。

1 基于PLC的数控钻床加工要求

钻床是一种用于钻孔、铰孔、扩孔等孔类加工的机床，本文设计的是一种台式数控钻床，如图1所示。

台式数控钻床设有活塞杆、液压缸筒、皮带轮和伺服电机。主轴由变频器驱动异步电动机，电动机带动皮带进行传动，从而驱动主轴进行转动，钻床Z向上下（垂直）运动，由液压缸驱动电动机进行上下移动。

基于PLC的数控钻床加工过程为：首先将需要加工的工件放置于钻床工作台上，接着调整钻床前后、左右的方向轮，让工件位于钻头的垂直正下方，依次启动电机、液压泵电机、进给运动开关，主轴转动，钻床开始对工件进行加工。数控钻床的控制功能主要体现在以下几个方面：

（1）对钻床进行前后、左右方向的移动控制。利用滚珠丝杠、滚珠螺杆控制钻床前后、左右方向移动。而前后、左右两个方向的移动，都需要通过手动操作来对工件的具体位置进行精确定位。

（2）对钻床加工速度的控制。利用变频器对钻床的快进、工进、快退等速度进行控制。

（3）對钻床加工方式的控制。在钻床加工工件的整个过程中，可以采取两种方式进行加工：第一种是手动操作加工方式，在钻床的启动、停止、主轴快进、工进、快退等关键环节处，分别设置开关按钮，由人工控制每一步工序;第二种是自动循环加工方式，当启动电动机开关后，钻床按照事先编写的程序，自动对工件进行加工，当程序结束时，加工结束。

2 基于PLC的数控钻床控制器设计

本文设计的PLC数控钻床控制器，是在传统钻床加工基础上进行的改进与创新，利用伺服电机控制钻床进给位置和速度，并采用PID算法进行闭环控制。

2.1    控制器硬件组成

控制器主要由主控器PLC、输入设备和输出设备等组成。PLC数控钻床控制器系统组成如图2所示，在控制过程中采用三菱GOT1000系列的PLC作为主控制器;输入设备主要包括行程开关、控制按钮和传感器等;输出设备主要包括电动机、电磁阀、继电器及鸣笛、报警器等负载。

数控钻床的工作原理如图3所示。其中，M1和M2分别为钻床主轴电动机和液压泵电动机，KM1和KM2为接触器开关，FU为熔断器，QS1和QS2为断路开关，FR1和FR2为热继电器。当电路中的线圈通电时，QS1和QS2断开，FR1和FR2保护电机。

在基于PLC的数控钻床加工控制过程中，主轴转速受伺服电机控制，而转速的稳定性直接关系到钻床的加工精度。因此，在电机伺服控制中，采用PID算法进行闭环控制，对于控制主轴转速起到十分重要的作用。

2.2    控制器软件设计

2.2.1    PLC控制器的I/O分配

本文设计的控制器主要采用手动开关和触摸屏两种控制方式。当控制器处于手动开关控制方式时，由人工对钻床的启动和停止进行设置，这样便于钻床相关设备的调试、维修等;当控制器处于触摸屏控制方式时，可以选择自动循环加工和单周期加工模式，通过点击触摸屏开关，利用继电器控制整个电路中线圈的通断。控制器的I/O口接线图如图4所示。其中，X0为急停命令，X1为启动按钮开关命令;X2、X3、X4和X5分别为检测开关、快进限位、工进限位和快退限位等检测信号;SB1、SB2、SQ1、SQ2和SQ3分别为钻床急停、钻床启动、主轴快进、工进限位和快退限位的开关。

2.2.2    程序流程

当初始输入脉冲为M8002时，钻床控制器系统处于原位停止状态，此时，由人工启动开关SB2，电源接通，PLC中的定时器T1启动线圈KM1和KM2，线圈通电，定时结束，液压泵及主轴电动机启动;当电路中检测到工件时，SB3按钮启动，此时工件被夹紧系统夹紧，启动PLC中夹紧定时器T2进行定时，主轴开始快进，在此过程中按下行程开关SQ1，主轴从快进变为工进;按下底部行程开关SQ2，主轴从工进转变为停留;PLC开启主轴停留定时器T3，到达定时时间后，主轴从停留转变为快退;当按下行程开关SQ3时，主轴停止快退;PLC启动无工件定时器T4，到达指定时间后，液压泵及主轴电动机停止运行。

2.2.3    触摸屏设计及仿真实验

PLC是数控钻床控制器中的关键设备，钻床的整个工件加工过程都是在PLC和触摸屏的监控下进行的。其中，触摸屏是数控钻床控制器实现人机互动的界面，在实际加工过程中，操作人员只需要通过触摸屏就可以实现对系统的控制。根据钻床加工和控制器设计要求，笔者选用型号为MCGS的TPC1162Hi触摸屏，作为本次设计中的监控设备，既可以进行系统的自动启动运行和停止，又可以通过手工操作的形式进行工件加工。

触摸屏功能界面如图5所示，在MCGS中利用PLC和搬运机械手等，建立触摸屏控制功能界面，在数控钻床控制器系统线路连接之后，可以根据不同的控制方式，设置电动机驱动器的PID值。

为了便于更好地观察控制器的设计效果，笔者利用MATLAB软件对系统进行样机仿真实验，通过对电动机稳定运行状态时的最优参数进行测试发现，PID控制阶跃响应时间与计算的理论结果相吻合，实践证明，本文设计的PLC数控钻床控制器具有合理性，并取得了良好的应用成果。

3 结语

随着数控技术的快速发展，PLC不仅具有强大的编程和逻辑处理功能，而且能集CPU、输入输出、电源、功能、信号等模块于一体，应用非常灵活和方便，在数控机床中应用广泛。本文将PLC运用于数控钻床控制器设计中，接线比较简单，完全能满足加工工艺和精度要求，通过控制电动机可以调节PID参数，对钻床进给速度进行相应调整。实践证明，基于PLC的数控钻床控制器，提高了数控钻床的工作效率与自动化水平，不仅使系统工作稳定、安全可靠，产品加工质量显著提高，而且极大地减轻了工人劳动强度，使产品生产更加人性化、科学化。

[参考文献]

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[2] 司昌练，罗梅.基于PLC的台式钻床的自动化控制系统研究[J].液压气动与密封，2018，38（3）：8-12.

[3] 覃福江，林义忠，刘庆国.基于PLC的数控焊接变位机控制系统开发[J].机床与液压，2014（14）：113-115.

收稿日期：2020-08-04

作者简介：李崇（1988—），男，江苏宿迁人，讲师，从事德育和机电教学工作。