基于PLC 的零件自动钻孔控制系统设计

刘良森

（广州市技师学院，广州 510080）

在传统的钻孔设备中，由于机械结构和控制系统的限制，往往无法完成高精度的钻孔操作，而且钻头旋转速度无法调节，不能适应不同材料的打孔加工，导致加工过程效率低，产品质量不稳定。为了解决这些问题，本研究以三菱FX3U-32MT 系列可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）为系统的控制器，通过控制步进电机提升钻孔的精度和稳定性，并引入变频器作为钻头电机的控制装置，灵活调节钻头旋转速度[1]。此外，本研究采用触摸屏作为人机界面，方便操作者设定钻孔深度、钻头旋转速度和钻头下降速度等参数。

1 控制方案设计

1.1 设备结构

零件钻孔设备结构示意如图1 所示，主要由X轴运行结构、Z轴运行结构和钻头运行结构组合而成。其中：X轴运行结构主要由X轴步进电机连接丝杆，从而控制工作台上的夹具横向运行确定钻孔加工位置，并由3 个光电传感器感应工作台的横向运行位置；Z轴运行结构主要由Z轴步进电机连接丝杠，从而控制钻台纵向运行确定钻孔深度，并由一个光电传感器感应钻台原点位置；钻头运行结构主要由一台三相异步电动机连接钻头。

图1 零件自动钻孔设备结构

1.2 控制功能

零件自动钻孔控制系统分为自动控制和手动控制两种控制模式。自动控制模式用于控制设备启动、停机和复位，手动控制模式用于控制各机构运行。自动模式下，钻孔设备可进行自动上料、钻孔、下料，并往复循环。按下停机按钮，钻孔设备完成当前加工的零件后自动停止，各运动机构自动回至原点。手动模式下，可通过操作触摸屏按钮控制X轴工作台左右运行、Z轴钻台上下运行、钻头电机旋转和停止、夹具松开和夹紧。当发生紧急情况时，按下外部急停按钮，系统各运动机构应立即停止。为实现以上控制功能，设计控制系统，如图2 所示。

图2 零件自动钻孔控制系统框图

图3 PLC 与变频器RS-485 通信接线图

1.3 硬件选型

本系统控制器选择三菱FX3U-32MT，该款PLC支持多种通信接口，而且具有多路高速脉冲输出，可同时控制X轴和Z轴两个方向的步进电机运行[2]。步进系统由步进驱动器和步进电机两部分组成。其中，步进驱动器选用YKD2305M 型驱动器，步进电机选用YK42HB47-02A 型步进电机。变频器选用型号为三菱FR-E840，支持RS-485 通信接口，可与PLC 进行数据交互。本系统选用三菱GS2110 触摸屏作为人机交互设备，支持多点触摸技术，触摸屏反应灵敏，且具备多种常用的通信接口[3]。

1.4 PLC 控制器I/O 地址分配与系统接线

三 菱FX3U-32MT PLC 的输入/ 输出（Input/Output，I/O）地址分配，如表1 所示，本控制系统硬件根据表1 进行接线。

表1 PLC 控制器I/O 地址分配表

另外，变频器与钻头三相异步电动机的接线采用三角形接法，三菱FX3U-32MT PLC 与三菱GS2110触摸屏通信可直接使用通信电缆连接，而三菱FX3U-32MT PLC 与三菱FR-E840 变频器的RS-485 通信接线则采用双绞线连接。双绞线一端使用RJ-45 连接器连接变频器的可插入单元（Pluggable Unit，PU）插口，另一端引线直接连接PLC 的RS-485 通信模块[4-5]。

2 控制程序设计

本次控制系统的PLC 控制程序需要使用梯形图和顺序流程图两种编程语言，建立梯形图程序块和顺序流程图程序块。

2.1 梯形图程序块

复位功能程序先使用原点回归指令[DSZR X0 X0 Y1 Y3]使Z轴钻台回到原点，再使用DSZR 指令使X轴工作台回归原点，并松开夹具。同时，X轴工作台左、右限位传感器地址需分别对应M8344 和M8343，以保证X轴工作台运动至极限位置时可反向运动寻找原点。正常停机功能程序使用停机按钮软元件并联产量监视数据与产量设置数据，并进行比较，输出停机标志位。停机标志位在顺序功能流程图中用于循环选择跳转起始步的条件。启动加工功能程序使用触摸屏启动按钮对应软元件置位顺序流程图中的初始步状态继电器即可，加工流程控制主要由顺序流程图程序块控制[6]。急停功能程序使用急停按钮群复位顺序流程图中的所有状态继电器，同时停止钻头电机。变频器通信程序使用IVDR 和IVCK 两条指令，其中IVDR用于变频器复位、网络模式设置、变频器启动和变频器参数写入，IVCK 用于变频器电流监视、电压监视、频率监视[7-8]。对于步进电机控制程序，2 台步进电机运动控制均使用DDRVA 指令，使用顺序流程图程序块中的步进电机启动标志位触发指令运行，运动距离与运动速度可由顺序流程图程序块写入。同时，使用步进电机当前脉冲数D8340、D8350 与设置脉冲数比较。脉冲数相等时，输出步进电机停止标注位，用于顺序流程图中的跳转条件，使步进电机停止[9]。

2.2 顺序流程图程序块

顺序流程图程序块主要由手动控制模式程序和自动控制模式程序两个选择分支组成，且两个模式做程序互锁处理。手动控制模式程序使用PLSY 指令，手动控制2 台步进电机运动，通过置位和复位Y4 手动控制夹具的松开与加紧[10]。自动控制控制模式程序根据钻孔加工流程逐步编写，并在自动控制模式程序的尾端选择分支，判断是否有正常停机标志位，从而选择跳转状态继电器。

3 触摸屏页面设计

本控制系统的触摸屏页面设计包括自动控制画面、手动控制画面和参数监控画面，3 个画面均设有画面跳转按钮，用于画面切换。自动控制画面设有设备启停、复位功能，手动控制画面设有手动控制设备各部件功能，参数监控画面设置有参数设置窗口和参数监视窗口，监控画面如图4 所示。

图4 参数监控画面

4 变频器参数设置

本控制系统变频器参数主要设置PU 端口的RS-485 通信参数，部分变频器参数设置如表2 所示。其中，Pr118 通信速率、Pr119 PU 通信停止位长、Pr120 奇偶校验选择的参数设置都需要与GX Works2 编程软件中的通信参数设置一致，而且需设置完成变频器参数后断电重启变频器，才可以运行RS-485 通信[11-12]。

表2 变频器部分参数设置表

5 设计效果

将本设计应用于加工实践，结果表明，通过技术创新和优化措施，钻孔位置与深度得到精准控制，钻头旋转速度的调节较为灵活，钻孔加工参数设置便捷，显著提高了钻孔加工的精度、质量和效率，有效保障了产品质量的稳定性。

6 结语

文章研究有效解决了传统钻孔设备钻孔精度不高、钻头旋转速度无法调节的问题，提高了钻孔加工的精度、质量和效率，为钻孔设备的设计提供了参考和借鉴，同时为相关行业的生产加工带来更高效、更稳定的解决方案。