基于PLC的传统钻床改造设计

基于PLC的传统钻床改造设计

杨仓伟

济南伊斯达自控工程有限公司 山东省济南市250011

摘要：随着时代与经济的发展，钻床已经应用到社会的很多方面，但落后的技术造成了大量的生产力与资源的浪费。本文介绍了普通钻床进行改造后实现自动化的过程。本文根据钻床加工的要求，采用可编程控制器(简称PLC)实施对钻床加工的自动控制。主要完成对钻床主体控制电路、PLC控制平台、梯形图和硬件系统的设计。此设计方法比采用数控系统控制该单元的成本降低60%--80%，并且同样可保证孔系的加工精度，在I/O接口上还可使用拓展模块进行工艺的改进及系统扩充，具有较强的实用性。

关键词：可编程控制器；控制电路；PLC

当前我国钻床量大面广，虽然有些钻床已实现数控，而其高昂的成本令大多数小公司望而却步，大多数企业还是处于一人一机床的状况，生产的效率低、自动化的程度低、产品的质量及工作的环境差是现如今钻床的普遍问题。在实际的生产当中，需要人工的操作、各种繁琐的装置、大量的生产力的投入以及单调的生产流程是造成的这些问题的根本。在经历了多年的发展，中国钻床生产也由学习到模仿，到最后逐步实现自主创新，但在效率、精度、智能化、自动化、绿色环保等方面与国外先进水平还有很大的差距。本文通过PLC的了解，可以将钻床的加工过程实现部分自动化，别除多余人工作业。具体是将PLC指令传达给步进电机，由步进电机来代替原来人工的移位与工进操作，不仅减少了大量的人力，而且又可以提高加工精度。

1.钻床的加工要求及控制电路设计

PLC控制的钻床要求为：(1)钻孔加工程序是可调整的：(2)不同的加工阶段可以选择不同的加工速度和加工深度，空行程时候的进刀曲线(3)主轴转速应可调节，且范围应宽广;(4)加工精度高，加工深度误差小于0.05mm：(5)在保证控制系统的安全、可靠的前提下，力求使控制系统简单、经济，使用及维修方便，满足控制要求：(6)考虑到生产的发展、工艺的改进及系统扩充，在选择可编程控制器的CPU模板及I/O模板时，应适当留有余量。

2.PLC控制平台的结构及功能设计

2.1PLC控制平台的结构

对钻床的控制可采用步进电机驱动的开环同服机构，其结构由可编程控制器、环行脉冲分配器、步进电机驱动器、步进电机和伺服传动机构等部分组成。伺服传动机构中的齿轮Z1，Z2采取消隙措施，避免产生反向死区或使加工精度下降：而丝杠传动副则应该根据该单元的加工精度要求，确定是否选用滚珠丝杠副。采用滚珠丝杠副，具有传动效率高、系统刚度好、传动精度高、使用寿命长的优点，但成本较高且不能自锁。

2.2PLC控制平台的功能

2.2.1行程控制

PLC控制平台采用数字控制来实现行程控制。平台的行程正比于步进电机的总转角，因此只要控制步进电机的总转角即可。由步进电机的工作原理和特性可知，步进电机的总转角正比于所输入的控制脉冲个数，因此可以根据同服机构的位移量确定PLC输出的脉冲个数：

N=L/d

式中：L为伺服机构的位移量，mm：d为同服机构的脉冲当量，mm/脉冲。

2.2.2进给速度控制

同服机构的进给速度取决于步进电机的转速，而步进电机的转速取决于输入的脉冲频率，因此可以根据该工序要求的进给速度，确定其PLC输出的脉冲频率：

f=v1/60d

式中v，为伺服机构的进给速度，mm/mine

2.2.3进给方向控制

进给方向控制即步进电机的转向控制。步进电机可以3通过改变步进电机各绕组的通电顺序来改变其转向，如三相步进电机通电顺序为A AB-B-BC-C-CA-A…时步进电机正转;当通电顺序为A-AC-C-CB-B-BA-A…时步进电机反转。因此可以通过PLC输出的方向控制信号改变硬件环行分配器的输出顺序或经编程改变输出脉冲的顺序来改变步进电机绕组的通电顺序。

3.PLC梯形图的设计

根据上述逻辑控制电路，将外部输入信号连接到PLC的输入口的接线端，即与PLC的输入继电器线图连接，通常将这些输入信号源画在梯形图的左边，再将PLC的输出信号与外部执行元件相连，并将其画在梯形图的右边。然后根据使用的内部继电器、定时器/计数器等单元绘制成梯形图。

4.系统的硬件设计

4.1系统的I/O点分配

由硬件结构图可知，系统需要5个输入点和14个输出点。CPU222 PLC有8个输入点和6个输出点，因此需要增加一个扩展模块，选用有8点输出的数字量扩展模块EM222。输入点是I0.0～I0.7；输出点是Q0.0～Q0.5和Q1.0～Q1.7。

4.2控制器

系统的关键设备是PLC。PLC是以单片机为核心，专门用于工业过程自动化控制的电脑器件，具有极高的可靠性和稳定性。

本系统选用西门子公司的S7-200系列CPU222 PLC作为控制核心，利用CPU222的2路独立的高速脉冲输出来控制步进电机的运动。

此高速脉冲信号不能用来直接驱动步进电机，需通过步进电机驱动器将功率放大后才能起作用。5路数字量输入分别与5个传感器相连接，用来判断钻头位置、步进电机位置、工件的位置。14路数字量输出中，有6路用来控制步进电机驱动器，8路用来控制电磁阀开关。

PLC本机有一个通信口，为标准RS-485接口，在PLC与上位机进行通信时需将RS-485接口转换为标准RS-232接口，可以采用西门子提供的隔离型PC/PPI电缆进行转换。

该电缆有拨码开关可以进行设置。在上位机上将控制软件编写好后，通过此线下载程序并监视程序的运行情况。为了降低成本，在程序调试好以后就可以不必用上位机进行操作和控制，而是用简单的操作面板即可，本系统选用的是DP210操作面板。

4.3系统的外设

根据系统对钻孔精度的高要求，选用步进电机来控制孔的加工。步进电机可以精确到一个脉冲，在本系统中一个脉冲的精度是0.005mm。步进电机驱动器用于驱动步进电机，从而控制钻头的动作，完成钻孔。

步进电机驱动器接收PLC的信号，包括CP步进脉冲信号、D IR方向信号、FR EE脱机信号，经过其内部的功放电路和处理电路后输出到后面连接的两相步进电机。步进电机根据信号的变化来产生相应的动作。电磁阀的动作是通过直接接收来自PLC的信号进行控制。

5结束语

将PLC控制的开环伺服机构用于钻床控制，其脉冲当量为0.01～0.05mm，进给速度vf为3～15m/min，完全满足工艺要求和加工精度要求，且系统运行稳定，产品质量显著提高，废品率明显下降。同时，极大地减轻了工人的劳动强度，提高了生产效率。

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