基于PLC和觸摸屏的雙頭盲孔鉆機控制系統

0引 言

雙頭盲孔鉆機是一種在實(shí)體材料上進(jìn)行鉆孔加工的常用機床，廣泛應用于模具、汽車(chē)、機床制造等行業(yè)的零件加工生產(chǎn)當中。傳統的手工加工，不僅速度慢，而且還極容易出錯，導致產(chǎn)品生產(chǎn)率低下。

可編程邏輯控制器(PLC)具有穩定性好，控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，常被當作控制器來(lái)使用；而觸摸屏的加入，即增強了人機交互的空間，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連線(xiàn)復雜程度，由二者組合在一起的控制系統越來(lái)越廣泛地應用在工業(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)設計一個(gè)控制系統。實(shí)踐效果表明，完全能夠達到雙頭盲孔鉆機的沒(méi)計要求。

1工藝控制要求與控制系統組成

雙頭盲孔鉆機機械圖如圖1所示，它主要由6個(gè)氣缸，4個(gè)步進(jìn)電機，2個(gè)主軸電機組成。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(xiàn)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用于旋轉工件，當一個(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)，需要將加工件旋轉一次；氣缸5，6起到對準加工件中心位置的作用。

4個(gè)步進(jìn)電機分別控制4個(gè)軸向運動(dòng)，左右移動(dòng)電機向加工平臺方向移動(dòng)，將搭載有主軸電機的兩個(gè)左右鉆電機靠近加工平臺；左右鉆電機負責推送主軸電機前進(jìn)進(jìn)行鉆孔加工，主軸電機安裝有刀具。在加工過(guò)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，導致刀具溫度過(guò)高而被燒壞，鐵屑也難以排出，進(jìn)而導致加工失誤，影響加工精度及生產(chǎn)效率，因此，在加工過(guò)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 系統工藝控制要求

雙頭盲孔鉆機的控制動(dòng)作主要分為氣缸動(dòng)作和電機控制動(dòng)作。其中，氣缸動(dòng)作完成加工件的夾緊、推料到位等工作；電機動(dòng)作完成電機的自動(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)作與電機動(dòng)作的每個(gè)步驟進(jìn)行獨立操作，以便于試機調試。自動(dòng)方式運行時(shí)，需嚴格按照工藝步驟時(shí)序要求運行。

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

(3)鉆孔時(shí)，要求左右鉆電機周期性地前進(jìn)后退，推送主軸電機及刀具完成整個(gè)加工動(dòng)作，即需將一個(gè)加工分成多個(gè)小線(xiàn)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)需要有急停保護措施。急停按鈕一按，產(chǎn)生報警信號，同時(shí)機床所有部件動(dòng)作均停止，只能回零操作有效?；亓悴僮鲉?dòng)的同時(shí)報警取消。

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

1．2 系統體系結構

控制系統采用松下PLC與威綸觸摸屏相結合的方式：威綸觸摸屏主要用于加工工藝參數的設置以及對PLC發(fā)送控制信號和顯示PLC的狀態(tài)信息(比如報警信息，正在進(jìn)行的工序號信息等)，通過(guò)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(guò)讀取現場(chǎng)的輸入信號以及觸摸屏的控制信號，按照預先編好的程序進(jìn)行程序掃描之后，輸出控制信號到機床，以控制電機或者氣缸動(dòng)作；現場(chǎng)傳感器輸入信號由左右移電機極限位置、原點(diǎn)傳感器與左右鉆電機極限位置、原點(diǎn)傳感器和主軸電機電流傳感器等輸入信號組成。

2 硬件設計

綜合考慮系統工藝要求，選用松下公司生產(chǎn)的FP—X C60T PLC。該PLC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；再根據系統的其他控制要求，需設定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警信號、油泵信號，主軸電機過(guò)流輸出信號等)。

觸摸屏選用威綸Weinview MT506觸摸屏，其開(kāi)發(fā)軟件是Easy Builder，簡(jiǎn)單易學(xué)。

3 軟件設計

3．1 PLC軟件設計

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

軟件設計包括手動(dòng)方式和自動(dòng)方式設計，其中手動(dòng)方式要求對各個(gè)動(dòng)作都能單獨獨立運行，自動(dòng)方式操作時(shí)需要嚴格按照工藝要求的操作流程來(lái)完成整套動(dòng)作。軟件設計流程如圖2所示。

3．1．1 自動(dòng)方式設計

雙頭盲孔鉆機自動(dòng)方式下的工作流程如圖2所示。由于自動(dòng)方式具有較嚴格的工藝流程要求，編程時(shí)采用松下PLC的步進(jìn)轉移指令：SSTP，NSTL，NSTP，CSTP，STPE等5條指令。而對于步進(jìn)電機的控制，則直接采用松下PLC中的脈沖輸出指令F171(SPDH)，F172(PLSH)指令。通過(guò)設置脈沖輸出指令控制字，還可以調節步進(jìn)電機的最低速，最高速以及加速時(shí)間，脈沖個(gè)數等。使用松下PLC，對步進(jìn)電機的控制很方便。
3．1．2 手動(dòng)方式設計

手動(dòng)方式一般用于試機運行及調試階段。設計有6個(gè)氣缸單步運行，4個(gè)步進(jìn)電機單步執行，2個(gè)主軸電機單步執行。對于步進(jìn)電機控制，采用調用子函數的方法來(lái)對各個(gè)步進(jìn)電機進(jìn)行單步運行。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)電機控制技巧

針對步進(jìn)電機控制，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(guò)設定數據表來(lái)選擇。這個(gè)指令可以用在自動(dòng)方式下的步進(jìn)電機控制。對于指令172(PLSH)是JOG控制，可以用于手動(dòng)方式的電機控制。

3．1．4 急停功能設計

當發(fā)生任何故障或者緊急情況時(shí)，需要有急停保護措施。一旦按下急停按鈕，對于氣缸來(lái)說(shuō)，則保持原狀態(tài)不變；對步進(jìn)電機來(lái)說(shuō)，則需要將其脈沖輸出停止，使得電機停止轉動(dòng)。這可以通過(guò)設置脈沖輸出的控制命令字來(lái)完成。一旦出現緊急情況，則觸發(fā)急停按鈕，關(guān)閉脈沖輸出指令，步進(jìn)電機停止，同時(shí)報警信號產(chǎn)生。等按下回零按鈕時(shí)，報警信號關(guān)閉，各步進(jìn)電機回到原點(diǎn)。同時(shí)，還需要對PLC系統中的一些內部數據進(jìn)行初始化，以備報警信號消除之后，鉆床能夠繼續進(jìn)行加工，而不是在故障發(fā)生時(shí)的狀況下繼續運作。

3．2 觸摸屏設計

觸摸屏設計包括創(chuàng )建人機界面和實(shí)現與PLC主機之間的通信兩個(gè)方面的設計。

3．2．1 觸摸屏人機界面設計

使用Easy BuiIder軟件設計人機界面。該軟件提供了多種控制器件庫、圖形空間和功能組件。根據系統工藝要求，配置有主畫(huà)面、手動(dòng)1、手動(dòng)2、手動(dòng)3和參數界面共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、左右鉆電機進(jìn)行手動(dòng)單獨控制，均設有快／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)氣缸的單獨手動(dòng)控制，分別為各個(gè)氣缸分配了一個(gè)按鈕；參數界面主要設定工件加工初始位置、鉆孔深度、進(jìn)刀量等參數。圖3為雙頭盲孔鉆機人機界面的結構圖。

3．2．2 觸摸屏與PLC的通信

設定人機界面中的變量，使其與PLC中的相應I／O點(diǎn)或存儲單元之間建立聯(lián)系，實(shí)現觸摸屏對PLC的控制及參數的輸入，控制PLC的運行狀態(tài)。

除此之外，還需要設定觸摸屏與PLC之間的通訊參數，實(shí)現觸摸屏與PLC之間的通訊。

4 結 語(yǔ)

在鉆機系統中，采用PLC控制，使得系統硬件電路設計簡(jiǎn)單可靠，而觸摸屏的設計，即增強了人機交互能力，同時(shí)也大大減少了傳統控制方法中的開(kāi)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(jiǎn)化了系統的硬件設計。兩者的結合，綜合了各自的優(yōu)點(diǎn)，不但操作方便，系統性能也更加安全可靠，具有廣闊的應用前景。