基于PLC和觸摸屏的雙頭盲孔鉆機控制系統(tǒng)

0引 言

雙頭盲孔鉆機是一種在實體材料上進行鉆孔加工的常用機床，廣泛應用于模具、汽車、機床制造等行業(yè)的零件加工生產(chǎn)當中。傳統(tǒng)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(wěn)定性好，控制精度高等優(yōu)點，常被當作控制器來使用；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點的使用以及減輕系統(tǒng)連線復雜程度，由二者組合在一起的控制系統(tǒng)越來越廣泛地應用在工業(yè)生產(chǎn)的各個領域。

這里采用松下PLC(FP—X(260T)與威綸觸摸屏(Weinview MT506)設計一個控制系統(tǒng)。實踐效果表明，完全能夠達到雙頭盲孔鉆機的沒計要求。

1工藝控制要求與控制系統(tǒng)組成

雙頭盲孔鉆機機械圖如圖1所示，它主要由6個氣缸，4個步進電機，2個主軸電機組成。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，防止加工時加工件因外力松動滑離加工位置；氣缸4用于旋轉工件，當一個表面加工完成，需要進行第二個表面加工，進行第二次加工時，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個步進電機分別控制4個軸向運動，左右移動電機向加工平臺方向移動，將搭載有主軸電機的兩個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進行鉆孔加工，主軸電機安裝有刀具。在加工過程中，如果一次性加工完成，則因加工深度太深，冷卻液難以進入，導致刀具溫度過高而被燒壞，鐵屑也難以排出，進而導致加工失誤，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

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

(1)具有手／自動功能狀態(tài)。手動時，要求可以對工序中氣缸動作與電機動作的每個步驟進行獨立操作，以便于試機調試。自動方式運行時，需嚴格按照工藝步驟時序要求運行。

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

(3)鉆孔時，要求左右鉆電機周期性地前進后退，推送主軸電機及刀具完成整個加工動作，即需將一個加工分成多個小線段加工，保證每次前進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，同時機床所有部件動作均停止，只能回零操作有效。回零操作啟動的同時報警取消。

(5)需要有換刀、對刀功能。當發(fā)現(xiàn)刀具不利時，換完刀具之后，要進行自動對刀操作。

1．2 系統(tǒng)體系結構

控制系統(tǒng)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(shù)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動作能夠直接反映在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，按照預先編好的程序進行程序掃描之后，輸出控制信號到機床，以控制電機或者氣缸動作；現(xiàn)場傳感器輸入信號由左右移電機極限位置、原點傳感器與左右鉆電機極限位置、原點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(tǒng)工藝要求，選用松下公司生產(chǎn)的FP—X C60T PLC。該PLC具有4個脈沖輸出，由于每個脈沖輸出均有一個脈沖輸出口和脈沖方向輸出口以及原點位置和極限位置輸入口，故需占用4×4=16個I／O口；再根據(jù)系統(tǒng)的其他控制要求，需設定4個輸入口(主軸超限電流和急停、啟動輸入)和10個輸出口(包括對5個氣缸的控制輸出和報警信號、油泵信號，主軸電機過流輸出信號等)。

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。

3 軟件設計

3．1 PLC軟件設計

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

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

3．1．1 自動方式設計

雙頭盲孔鉆機自動方式下的工作流程如圖2所示。由于自動方式具有較嚴格的工藝流程要求，編程時采用松下PLC的步進轉移指令：SSTP，NSTL，NSTP，CSTP，STPE等5條指令。而對于步進電機的控制，則直接采用松下PLC中的脈沖輸出指令F171(SPDH)，F(xiàn)172(PLSH)指令。通過設置脈沖輸出指令控制字，還可以調節(jié)步進電機的最低速，最高速以及加速時間，脈沖個數(shù)等。使用松下PLC，對步進電機的控制很方便。
3．1．2 手動方式設計

手動方式一般用于試機運行及調試階段。設計有6個氣缸單步運行，4個步進電機單步執(zhí)行，2個主軸電機單步執(zhí)行。對于步進電機控制，采用調用子函數(shù)的方法來對各個步進電機進行單步運行。除此之外，換刀對刀功能也需要在手動下完成。

3．1．3 步進電機控制技巧

針對步進電機控制，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，另外一種是原點返回控制。兩種控制通過設定數(shù)據(jù)表來選擇。這個指令可以用在自動方式下的步進電機控制。對于指令172(PLSH)是JOG控制，可以用于手動方式的電機控制。

3．1．4 急停功能設計

當發(fā)生任何故障或者緊急情況時，需要有急停保護措施。一旦按下急停按鈕，對于氣缸來說，則保持原狀態(tài)不變；對步進電機來說，則需要將其脈沖輸出停止，使得電機停止轉動。這可以通過設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，關閉脈沖輸出指令，步進電機停止，同時報警信號產(chǎn)生。等按下回零按鈕時，報警信號關閉，各步進電機回到原點。同時，還需要對PLC系統(tǒng)中的一些內部數(shù)據(jù)進行初始化，以備報警信號消除之后，鉆床能夠繼續(xù)進行加工，而不是在故障發(fā)生時的狀況下繼續(xù)運作。

3．2 觸摸屏設計

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

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(jù)系統(tǒng)工藝要求，配置有主畫面、手動1、手動2、手動3和參數(shù)界面共4個界面。其中，主界面配置的部件有回零點、換刀對刀按鈕，手／自動切換按鈕、主軸電機按鈕、氣缸油泵按鈕、啟動按鈕還有急停按鈕；手動1、手動2是分別對左右移電機、左右鉆電機進行手動單獨控制，均設有快／慢速切換按鈕、左右前進按鈕和左右后退按鈕、同時前進、同時后退按鈕等；手動3界面是對6個氣缸的單獨手動控制，分別為各個氣缸分配了一個按鈕；參數(shù)界面主要設定工件加工初始位置、鉆孔深度、進刀量等參數(shù)。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點或存儲單元之間建立聯(lián)系，實現(xiàn)觸摸屏對PLC的控制及參數(shù)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(shù)，實現(xiàn)觸摸屏與PLC之間的通訊。

4 結 語

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