基于 PLC 的數(shù)控鉆床控制器設(shè)計(jì)研究
2021-5-21 來源：江蘇省宿城中等專業(yè)學(xué)校 作者：梁猛猛
摘要:數(shù)控機(jī)床是采用數(shù)字控制技術(shù)對(duì)機(jī)床切削運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制的一種機(jī)電一體化產(chǎn)品，隨著軟件技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，其在工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。在數(shù)控機(jī)床中，鉆床主要用于對(duì)鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔等多種形式的孔加工，其加工精度和效率直接影響加工零件的質(zhì)量。
關(guān)鍵詞: 數(shù)控鉆床；PLC 技術(shù)；控制器設(shè)計(jì)
一、引言
數(shù)控鉆床是一種孔加工機(jī)床，主要用于進(jìn)行鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔等多種形式的零件加工。近年來，隨著信息技術(shù)和數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了數(shù)控切削技術(shù)的同步發(fā)展。目前，在數(shù)控加工過程中，主要采用麻花鉆頭對(duì)零件進(jìn)行深孔加工，與其他類型切削刀具相比，麻花鉆頭在鉆孔時(shí)，為避免損壞鉆頭，需頻繁地進(jìn)退刀，且其主切削刃過長，不利于分屑和斷屑，這些問題的存在使得麻花鉆頭磨損較快，嚴(yán)重時(shí)容易影響零件加工表面和鉆孔效率。因此，為了確保深加工的效率和精度，基于 PLC 的數(shù)控鉆床控制器應(yīng)運(yùn)而生，其操作方便、靈活，使用范圍廣。
二、基于 PLC 的數(shù)控鉆床控制器設(shè)計(jì)方案
（一）數(shù)控鉆床結(jié)構(gòu)及工作原理
鉆床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工精度較低，主要用鉆頭在工件上加工孔。在各類鉆床中，搖臂鉆床比較適用于單件或批量生產(chǎn)中帶有多孔大型工件的孔加工，主要由工作臺(tái)主軸、搖臂、底座、內(nèi)/外立柱等部分組成。主軸箱安裝在搖臂水平導(dǎo)軌上跟隨搖臂繞立柱進(jìn)行移動(dòng)，搖臂可沿著立柱進(jìn)行上下移動(dòng)，以便可以加工不同高度的零件。在進(jìn)行鉆削加工時(shí)，工件不動(dòng)，刀具移動(dòng)，鉆頭邊旋轉(zhuǎn)、邊切削、邊縱向進(jìn)給。
（二）數(shù)控鉆床運(yùn)動(dòng)方式
1.主軸運(yùn)動(dòng)：鉆床鉆削時(shí)，主軸運(yùn)動(dòng)包括主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（主軸帶著鉆頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）和主軸縱向進(jìn)給（主軸的垂直運(yùn)動(dòng)）。2.輔助運(yùn)動(dòng)：主軸箱沿?fù)u臂進(jìn)行水平運(yùn)動(dòng)，搖臂沿外立柱進(jìn)行垂直移動(dòng)。
（三）方案設(shè)計(jì)
本文研究的數(shù)控鉆床主要用于鋼制環(huán)模深孔加工，其加工后成品如圖 1 所示。
圖 1 加工后的工件
PLC 是一類以順序控制為主、回路調(diào)節(jié)為輔的通用型自動(dòng)控制裝置，克服了傳統(tǒng)繼電器可靠性差、體積龐大等弊端，目前成為數(shù)控機(jī)床中實(shí)現(xiàn)順序控制的首要選擇。基于此，本文用 PLC設(shè)計(jì)數(shù)控鉆床控制器系統(tǒng)，如圖 2 所示。
圖 2 基于 PLC 的數(shù)控鉆床控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成：PC 客戶端（上位機(jī)）、控制面板、主控制器（PLC）、深孔鉆削控制模塊伺服電機(jī)、環(huán)模轉(zhuǎn)動(dòng)定位控制模塊、液晶顯示模塊、數(shù)碼管顯示模塊和報(bào)警電路等。其中，PC 客戶端與 PLC 通過 RS232 進(jìn)行通信，控制系統(tǒng)輸入端主要用于接收控制面板信號(hào)，輸出端信號(hào)對(duì)伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。環(huán)模轉(zhuǎn)動(dòng)定位控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)深孔的定位，深孔鉆削控制模塊伺服電機(jī)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)深孔的鉆削。液晶顯示模塊用于顯示鉆孔速度、鉆孔次數(shù)及鉆孔深度，可對(duì)鉆床加工中的鉆孔參數(shù)進(jìn)
行實(shí)時(shí)監(jiān)控、顯示及修改。
三、基于 PLC 的數(shù)控鉆床控制器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
數(shù)控鉆床控制器系統(tǒng)的核心部件是 PLC，由于它易于編程、具有良好的自我診斷功能和高可靠性，被廣泛地運(yùn)用于各種工業(yè)控制中。PLC 中的各個(gè)部件包括 CPU、I/0 和電源等均采用模塊設(shè)計(jì)，同時(shí)，具有豐富的 I/0 接口，用戶可以自己的實(shí)際需求自行組合。在本設(shè)計(jì)中，利用 PLC 主要實(shí)現(xiàn)的功能有開關(guān)量的邏輯控制（定時(shí)控制、順序邏輯控制與組合邏輯控制）、鉆床運(yùn)動(dòng)控制、鉆床現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集處理、位置控制（通過控制步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)來控制鉆機(jī)的鉆削位置、方向、速度）。
（一）主控制器設(shè)計(jì)
控制器是數(shù)控鉆床的重要組成部分，而 PLC 是控制器的核心部件。在眾多 51 系列單片機(jī)中，STC 系列單片機(jī)對(duì)開發(fā)設(shè)備要求很低且開發(fā)時(shí)間較短，十分符合工業(yè)領(lǐng)域?qū)嶋H生產(chǎn)環(huán)境。
（二）直流開關(guān)量輸入模塊設(shè)計(jì)
PLC 采用嚴(yán)格的生產(chǎn)規(guī)模與先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，因此，高可靠性是基于 PLC 數(shù)控設(shè)備的關(guān)鍵性能。在通常情況下，不需要采取任何措施就能直接在工業(yè)環(huán)境中使用。雖然如此，但是當(dāng)生產(chǎn)環(huán)境過于惡劣時(shí)，安裝不當(dāng)或受到強(qiáng)烈電磁干擾，就會(huì)導(dǎo)致運(yùn)算錯(cuò)誤或程序錯(cuò)誤，從而產(chǎn)生錯(cuò)誤輸入和輸出，在這種情況下就難以保障 PLC 正常運(yùn)行。因此，在本設(shè)計(jì)中，為了提高基于 PLC 的數(shù)控鉆床控制器的抗干擾性和可靠性，在輸入電路中利用光電耦合器來增加抗干擾設(shè)計(jì)，如圖 3 所示。
圖 3 直流開關(guān)量輸入模塊原理圖
其中，TLP521-1 為光電耦合器，其作用主要是輸入信號(hào)與單片機(jī)隔開，同時(shí)對(duì)其信號(hào)進(jìn)行濾波處理；在電路輸入端，將操作面板上的開關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)化為單片機(jī)正常運(yùn)行的低電壓信號(hào)，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，TLP521-1 的發(fā)光二極管發(fā)光、三極管導(dǎo)通，發(fā)送動(dòng)作信號(hào)到相應(yīng)繼電器，并向輸出端發(fā)送控制信號(hào)。
（三）繼電器輸出模塊設(shè)計(jì)
繼電器輸出模塊原理圖如圖 4 所示，主要作用是將單片機(jī)內(nèi)部的低壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成能為可以驅(qū)動(dòng)外部輸出設(shè)備的開關(guān)信號(hào)。
圖 4 繼電器輸出模塊原理圖
在圖中，繼電器既是開關(guān)器件，也是隔離器件。其中，光電耦合器 TLP521-1 的作用是將輸出信號(hào)與單片機(jī)隔開，實(shí)現(xiàn) PLC 內(nèi)外部信號(hào)的隔離。當(dāng)開關(guān)量 OUT0 的輸出為低電平時(shí)，TLP521-1使得晶體管 Q1 導(dǎo)通，繼而使得繼電器 K1 的線圈通電，繼電器得電吸合，發(fā)光二極管 D2 發(fā)光。反之，當(dāng)開關(guān)量 OUT0 輸出高電平時(shí)，TLP521-1 使繼電器 K1 觸點(diǎn)斷開，發(fā)光二極管 D2 熄滅。D4的作用主要是用于保護(hù)晶體管 Q1。當(dāng)繼電器斷開時(shí)，由于繼電器線圈電感的存在，因而儲(chǔ)存有電能，這時(shí)晶體管 Q1 截止，在線圈兩端形成感應(yīng)電壓，晶體管容易被擊穿而遭到損壞，加入二極管可鉗制住集電極電壓，保護(hù)晶體管。繼電器輸出模塊的負(fù)載回路無須分辨極性，既能驅(qū)動(dòng)直流負(fù)載，也可以驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載，其承受過流與過壓能力較強(qiáng)。外界電源及負(fù)載電源的大小由繼電器
觸點(diǎn)容量所決定。
（四）串口通信模塊設(shè)計(jì)
串口通信模塊在 PLC 系統(tǒng)中占據(jù)了非常重要的作用。如圖 5所示，在本設(shè)計(jì)中，采用 RS232 串口通信實(shí)現(xiàn)對(duì) PLC 的編程及數(shù)據(jù)的交換功能。
圖 5 串口通信模塊原理圖
其中，MAX232 是專門用于 RS232 標(biāo)準(zhǔn)串口中，進(jìn)行單電源電平轉(zhuǎn)換的芯片。這是由于單片機(jī)串口為 TTL 電平，而 PC 串口為 RS232 電平，在進(jìn)行串口通信時(shí)，必須進(jìn)行電平的轉(zhuǎn)換。MAX232 芯片使用+5V 單電源供電。在串口通信過程中，利用單片機(jī) STC12C5A60S2 的引腳 RXD 和 TXD 分別實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的發(fā)送與接收。
四、基于 PLC 的數(shù)控鉆床控制器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
在本設(shè)計(jì)中采用 Keil u Vision4 單片機(jī)開發(fā)工具和 C 語言進(jìn)行程序編寫，主要實(shí)現(xiàn)以下三個(gè)模塊功能：控制面板功能、定位控制功能及深孔鉆削功能。在系統(tǒng)初始化后，選擇鉆孔類型，輸入鉆孔深度、擴(kuò)孔深度、鉆孔速度、鉆孔個(gè)數(shù)等參數(shù)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)環(huán)模進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)、伺服電機(jī)控制鉆頭上下運(yùn)動(dòng)，在整個(gè)過程中，利用數(shù)碼管顯示鉆孔深度、鉆孔次數(shù)、鉆孔速度等參數(shù)變化。
在電路焊接結(jié)束后，利用萬用表對(duì)系統(tǒng)精確度進(jìn)行驗(yàn)證。將單片機(jī) STC12C5A60S2 的引腳 CLK 連接到示波器上，當(dāng)示波器上顯示正弦波波形時(shí)，則說明單片機(jī)處于正常工作狀態(tài)。將引腳PWM 連接到示波器上，檢測(cè)結(jié)果顯示，單片機(jī)輸出 PWM 波形正
常，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)效果。
五、結(jié)束語
本文基于 PLC 設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)︺@孔參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、顯示及修改的數(shù)控鉆床控制器，通過改變控制參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆孔的定位和切削，克服了傳統(tǒng)人工鉆孔的弊端，使得鉆孔定位和切削更加精確，且加工精度更高，加工成本較低，比較適合環(huán)
境比較惡劣的加工環(huán)境，具有廣泛的應(yīng)用前景。
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