基于PLC和觸摸屏的雙頭盲孔鉆機(jī)控制系統(tǒng)

0引 言

雙頭盲孔鉆機(jī)是一種在實(shí)體材料上進(jìn)行鉆孔加工的常用機(jī)床，廣泛應(yīng)用于模具、汽車、機(jī)床制造等行業(yè)的零件加工生產(chǎn)當(dāng)中。傳統(tǒng)的手工加工，不僅速度慢，而且還極容易出錯(cuò)，導(dǎo)致產(chǎn)品生產(chǎn)率低下。

可編程邏輯控制器(PLC)具有穩(wěn)定性好，控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，常被當(dāng)作控制器來使用；而觸摸屏的加入，即增強(qiáng)了人機(jī)交互的空間，還能在一定程度上減少PLC的外部I／O點(diǎn)的使用以及減輕系統(tǒng)連線復(fù)雜程度，由二者組合在一起的控制系統(tǒng)越來越廣泛地應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。

這里采用松下PLC(FP—X(260T)與威綸觸摸屏(Weinview MT506)設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)。實(shí)踐效果表明，完全能夠達(dá)到雙頭盲孔鉆機(jī)的沒計(jì)要求。

1工藝控制要求與控制系統(tǒng)組成

雙頭盲孔鉆機(jī)機(jī)械圖如圖1所示，它主要由6個(gè)氣缸，4個(gè)步進(jìn)電機(jī)，2個(gè)主軸電機(jī)組成。其中，氣缸1起到壓緊加工件的作用；氣缸2用于定位作用，使得刀具與加工點(diǎn)處在同一水平線上；氣缸3起緊固加工件的作用，防止加工時(shí)加工件因外力松動(dòng)滑離加工位置；氣缸4用于旋轉(zhuǎn)工件，當(dāng)一個(gè)表面加工完成，需要進(jìn)行第二個(gè)表面加工，進(jìn)行第二次加工時(shí)，需要將加工件旋轉(zhuǎn)一次；氣缸5，6起到對準(zhǔn)加工件中心位置的作用。

4個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別控制4個(gè)軸向運(yùn)動(dòng)，左右移動(dòng)電機(jī)向加工平臺方向移動(dòng)，將搭載有主軸電機(jī)的兩個(gè)左右鉆電機(jī)靠近加工平臺；左右鉆電機(jī)負(fù)責(zé)推送主軸電機(jī)前進(jìn)進(jìn)行鉆孔加工，主軸電機(jī)安裝有刀具。在加工過程中，如果一次性加工完成，則因加工深度太深，冷卻液難以進(jìn)入，導(dǎo)致刀具溫度過高而被燒壞，鐵屑也難以排出，進(jìn)而導(dǎo)致加工失誤，影響加工精度及生產(chǎn)效率，因此，在加工過程中，需要周期性地從待加工件中退出刀具，起到退屑、散熱的作用。

1．1 系統(tǒng)工藝控制要求

雙頭盲孔鉆機(jī)的控制動(dòng)作主要分為氣缸動(dòng)作和電機(jī)控制動(dòng)作。其中，氣缸動(dòng)作完成加工件的夾緊、推料到位等工作；電機(jī)動(dòng)作完成電機(jī)的自動(dòng)加工動(dòng)作。主要的控制要求有：

(1)具有手／自動(dòng)功能狀態(tài)。手動(dòng)時(shí)，要求可以對工序中氣缸動(dòng)作與電機(jī)動(dòng)作的每個(gè)步驟進(jìn)行獨(dú)立操作，以便于試機(jī)調(diào)試。自動(dòng)方式運(yùn)行時(shí)，需嚴(yán)格按照工藝步驟時(shí)序要求運(yùn)行。

(2)左右鉆電機(jī)必須是在左右移電機(jī)動(dòng)作完成之后才能開始動(dòng)作，以保證刀具不會碰到其他部件而被損壞。

(3)鉆孔時(shí)，要求左右鉆電機(jī)周期性地前進(jìn)后退，推送主軸電機(jī)及刀具完成整個(gè)加工動(dòng)作，即需將一個(gè)加工分成多個(gè)小線段加工，保證每次前進(jìn)加工后都能使得刀具從待加工件中退出，起到退屑和冷卻的作用效果。

(4)需要有急停保護(hù)措施。急停按鈕一按，產(chǎn)生報(bào)警信號，同時(shí)機(jī)床所有部件動(dòng)作均停止，只能回零操作有效?；亓悴僮鲉?dòng)的同時(shí)報(bào)警取消。

(5)需要有換刀、對刀功能。當(dāng)發(fā)現(xiàn)刀具不利時(shí)，換完刀具之后，要進(jìn)行自動(dòng)對刀操作。

1．2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)采用松下PLC與威綸觸摸屏相結(jié)合的方式：威綸觸摸屏主要用于加工工藝參數(shù)的設(shè)置以及對PLC發(fā)送控制信號和顯示PLC的狀態(tài)信息(比如報(bào)警信息，正在進(jìn)行的工序號信息等)，通過觸摸屏軟件編程，將觸摸屏中的變量直接映射到PLC中，使得在觸摸屏上的各個(gè)動(dòng)作能夠直接反映在PLC中；PLC通過讀取現(xiàn)場的輸入信號以及觸摸屏的控制信號，按照預(yù)先編好的程序進(jìn)行程序掃描之后，輸出控制信號到機(jī)床，以控制電機(jī)或者氣缸動(dòng)作；現(xiàn)場傳感器輸入信號由左右移電機(jī)極限位置、原點(diǎn)傳感器與左右鉆電機(jī)極限位置、原點(diǎn)傳感器和主軸電機(jī)電流傳感器等輸入信號組成。

2 硬件設(shè)計(jì)

綜合考慮系統(tǒng)工藝要求，選用松下公司生產(chǎn)的FP—X C60T PLC。該P(yáng)LC具有4個(gè)脈沖輸出，由于每個(gè)脈沖輸出均有一個(gè)脈沖輸出口和脈沖方向輸出口以及原點(diǎn)位置和極限位置輸入口，故需占用4×4=16個(gè)I／O口；再根據(jù)系統(tǒng)的其他控制要求，需設(shè)定4個(gè)輸入口(主軸超限電流和急停、啟動(dòng)輸入)和10個(gè)輸出口(包括對5個(gè)氣缸的控制輸出和報(bào)警信號、油泵信號，主軸電機(jī)過流輸出信號等)。

觸摸屏選用威綸Weinview MT506觸摸屏，其開發(fā)軟件是Easy Builder，簡單易學(xué)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3．1 PLC軟件設(shè)計(jì)

松下FP—X C60T采用FPWIN GR Ver．2．72軟件進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，可采用梯形圖語言和順序功能圖語言進(jìn)行編程，本設(shè)計(jì)采用梯形圖編程。

軟件設(shè)計(jì)包括手動(dòng)方式和自動(dòng)方式設(shè)計(jì)，其中手動(dòng)方式要求對各個(gè)動(dòng)作都能單獨(dú)獨(dú)立運(yùn)行，自動(dòng)方式操作時(shí)需要嚴(yán)格按照工藝要求的操作流程來完成整套動(dòng)作。軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

3．1．1 自動(dòng)方式設(shè)計(jì)

雙頭盲孔鉆機(jī)自動(dòng)方式下的工作流程如圖2所示。由于自動(dòng)方式具有較嚴(yán)格的工藝流程要求，編程時(shí)采用松下PLC的步進(jìn)轉(zhuǎn)移指令：SSTP，NSTL，NSTP，CSTP，STPE等5條指令。而對于步進(jìn)電機(jī)的控制，則直接采用松下PLC中的脈沖輸出指令F171(SPDH)，F(xiàn)172(PLSH)指令。通過設(shè)置脈沖輸出指令控制字，還可以調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的最低速，最高速以及加速時(shí)間，脈沖個(gè)數(shù)等。使用松下PLC，對步進(jìn)電機(jī)的控制很方便。
3．1．2 手動(dòng)方式設(shè)計(jì)

手動(dòng)方式一般用于試機(jī)運(yùn)行及調(diào)試階段。設(shè)計(jì)有6個(gè)氣缸單步運(yùn)行，4個(gè)步進(jìn)電機(jī)單步執(zhí)行，2個(gè)主軸電機(jī)單步執(zhí)行。對于步進(jìn)電機(jī)控制，采用調(diào)用子函數(shù)的方法來對各個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行單步運(yùn)行。除此之外，換刀對刀功能也需要在手動(dòng)下完成。

3．1．3 步進(jìn)電機(jī)控制技巧

針對步進(jìn)電機(jī)控制，采用松下PLC的特殊指令F171與F172。其中，針對F171有兩種不同的控制，一種是梯形圖控制，另外一種是原點(diǎn)返回控制。兩種控制通過設(shè)定數(shù)據(jù)表來選擇。這個(gè)指令可以用在自動(dòng)方式下的步進(jìn)電機(jī)控制。對于指令172(PLSH)是JOG控制，可以用于手動(dòng)方式的電機(jī)控制。

3．1．4 急停功能設(shè)計(jì)

當(dāng)發(fā)生任何故障或者緊急情況時(shí)，需要有急停保護(hù)措施。一旦按下急停按鈕，對于氣缸來說，則保持原狀態(tài)不變；對步進(jìn)電機(jī)來說，則需要將其脈沖輸出停止，使得電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。這可以通過設(shè)置脈沖輸出的控制命令字來完成。一旦出現(xiàn)緊急情況，則觸發(fā)急停按鈕，關(guān)閉脈沖輸出指令，步進(jìn)電機(jī)停止，同時(shí)報(bào)警信號產(chǎn)生。等按下回零按鈕時(shí)，報(bào)警信號關(guān)閉，各步進(jìn)電機(jī)回到原點(diǎn)。同時(shí)，還需要對PLC系統(tǒng)中的一些內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化，以備報(bào)警信號消除之后，鉆床能夠繼續(xù)進(jìn)行加工，而不是在故障發(fā)生時(shí)的狀況下繼續(xù)運(yùn)作。

3．2 觸摸屏設(shè)計(jì)

觸摸屏設(shè)計(jì)包括創(chuàng)建人機(jī)界面和實(shí)現(xiàn)與PLC主機(jī)之間的通信兩個(gè)方面的設(shè)計(jì)。

3．2．1 觸摸屏人機(jī)界面設(shè)計(jì)

使用Easy BuiIder軟件設(shè)計(jì)人機(jī)界面。該軟件提供了多種控制器件庫、圖形空間和功能組件。根據(jù)系統(tǒng)工藝要求，配置有主畫面、手動(dòng)1、手動(dòng)2、手動(dòng)3和參數(shù)界面共4個(gè)界面。其中，主界面配置的部件有回零點(diǎn)、換刀對刀按鈕，手／自動(dòng)切換按鈕、主軸電機(jī)按鈕、氣缸油泵按鈕、啟動(dòng)按鈕還有急停按鈕；手動(dòng)1、手動(dòng)2是分別對左右移電機(jī)、左右鉆電機(jī)進(jìn)行手動(dòng)單獨(dú)控制，均設(shè)有快／慢速切換按鈕、左右前進(jìn)按鈕和左右后退按鈕、同時(shí)前進(jìn)、同時(shí)后退按鈕等；手動(dòng)3界面是對6個(gè)氣缸的單獨(dú)手動(dòng)控制，分別為各個(gè)氣缸分配了一個(gè)按鈕；參數(shù)界面主要設(shè)定工件加工初始位置、鉆孔深度、進(jìn)刀量等參數(shù)。圖3為雙頭盲孔鉆機(jī)人機(jī)界面的結(jié)構(gòu)圖。

3．2．2 觸摸屏與PLC的通信

設(shè)定人機(jī)界面中的變量，使其與PLC中的相應(yīng)I／O點(diǎn)或存儲單元之間建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)觸摸屏對PLC的控制及參數(shù)的輸入，控制PLC的運(yùn)行狀態(tài)。

除此之外，還需要設(shè)定觸摸屏與PLC之間的通訊參數(shù)，實(shí)現(xiàn)觸摸屏與PLC之間的通訊。

4 結(jié) 語

在鉆機(jī)系統(tǒng)中，采用PLC控制，使得系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)簡單可靠，而觸摸屏的設(shè)計(jì)，即增強(qiáng)了人機(jī)交互能力，同時(shí)也大大減少了傳統(tǒng)控制方法中的開關(guān)、按鈕、指示燈、儀表等電子器件的使用，還間接地減少了PLC外部I／O點(diǎn)的使用，簡化了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。兩者的結(jié)合，綜合了各自的優(yōu)點(diǎn)，不但操作方便，系統(tǒng)性能也更加安全可靠，具有廣闊的應(yīng)用前景。