龍門(mén)移動(dòng)式三維鉆床的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

戴文靜，朱海峰，上官自國(guó)，劉雙喜，王金星

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 泰安 271000;2.泰安山鷹數(shù)控機(jī)械有限公司，山東泰安 271000;3.山東北方光學(xué)電子有限公司，山東泰安 271000）

0 引言

隨著鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的發(fā)展和加工技術(shù)的進(jìn)步，鋼結(jié)構(gòu)建筑向著大型化和復(fù)雜化的方向發(fā)展。由于大型鋼結(jié)構(gòu)建筑所用型鋼的截面尺寸比較大，普通H型鋼的加工設(shè)備已不能滿(mǎn)足要求，如上海環(huán)球金融中心箱型柱的截面尺寸達(dá)2000×1000mm，普通機(jī)床很難對(duì)其加工。針對(duì)大截面型鋼的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了一種龍門(mén)移動(dòng)式三維鉆床。根據(jù)龍門(mén)移動(dòng)式三維鉆床的加工特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種基于PLC的三維鉆床控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了加工過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)控制和位置控制。

1 控制系統(tǒng)原理

大型H型鋼移動(dòng)速度慢，所需功率大，為節(jié)約能耗，該設(shè)備不采用工件移動(dòng)方式，而采用龍門(mén)移動(dòng)式結(jié)構(gòu)，龍門(mén)的運(yùn)動(dòng)控制是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分。H型鋼的腹板面和兩個(gè)翼板面都需要鉆孔加工，因此龍門(mén)移動(dòng)式三維鉆床的鉆孔系統(tǒng)具有垂直、左、右三個(gè)方向的鉆孔動(dòng)力頭，可以同時(shí)在三個(gè)面上進(jìn)行加工。每個(gè)動(dòng)力頭由兩個(gè)數(shù)控軸驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力頭在導(dǎo)軌方向和鉆頭進(jìn)給方向的運(yùn)動(dòng)都由數(shù)控系統(tǒng)控制。

龍門(mén)移動(dòng)式三維鉆床控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是驅(qū)動(dòng)龍門(mén)和各執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成H型鋼腹板和翼板上的孔的加工，包括龍門(mén)和三個(gè)動(dòng)力頭的位置、速度控制，及其他機(jī)構(gòu)的動(dòng)作控制等?？刂葡到y(tǒng)主要包括上位機(jī)、PLC、伺服驅(qū)動(dòng)器、操作面板、定位控制模塊、交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、感應(yīng)開(kāi)關(guān)等?？刂葡到y(tǒng)的原理如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)原理圖

上位機(jī)主要負(fù)責(zé)用戶(hù)與PLC之間的通信，向PLC發(fā)出啟動(dòng)/停止命令，接收PLC發(fā)回的工作狀態(tài)信號(hào)，控制龍門(mén)、動(dòng)力頭的運(yùn)動(dòng)和鉆孔系統(tǒng)的運(yùn)行，并實(shí)時(shí)顯示各部分運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

PLC是控制系統(tǒng)中計(jì)算中心和信息聯(lián)絡(luò)中樞。PLC與上位機(jī)、操作面板、手脈輸入端及機(jī)床信號(hào)反饋端相連，接收并處理各設(shè)備傳來(lái)的信息，同時(shí)連接伺服系統(tǒng)和主軸單元，控制鉆孔過(guò)程中邏輯操作，實(shí)現(xiàn)諸如液壓打開(kāi)或關(guān)閉等。

伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是連接控制系統(tǒng)和機(jī)床主體的關(guān)鍵部分，接收和發(fā)送脈沖信號(hào)，控制龍門(mén)和動(dòng)力頭的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)接收來(lái)自插補(bǔ)裝置或插補(bǔ)軟件生成的進(jìn)給脈沖指令，經(jīng)過(guò)一定的信號(hào)變換及電壓、功率放大，將其轉(zhuǎn)化機(jī)床移動(dòng)部件(如龍門(mén)、動(dòng)力頭等）的運(yùn)動(dòng)。主軸單元主要控制三個(gè)鉆頭的轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)鉆孔工藝，控制鉆頭轉(zhuǎn)速。

感應(yīng)開(kāi)關(guān)是設(shè)備的神經(jīng)單元，把設(shè)備各部分的運(yùn)行狀態(tài)反饋給PLC，然后由PLC上傳給上位計(jì)算機(jī)顯示，或者進(jìn)行處理，做出判斷等等。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 PLC控制模塊

根據(jù)設(shè)計(jì)的要求和系統(tǒng)所需要的輸入輸出信號(hào)的數(shù)量，本系統(tǒng)選用了日本三菱公司的Q系列高性能PLC，包括電源模塊Q61P-A2，CPU模塊Q02H，定位模塊QD75D4，模擬量控制模塊Q64DA，輸入模塊QX40，輸出模塊QY10，通訊模塊QJ71-C24-R2。

Q02H系列的CPU模塊在大幅提高CPU處理性能和程序寄存器容量的同時(shí)，還提高了與網(wǎng)絡(luò)模塊、編程用外圍設(shè)備之間數(shù)據(jù)的通信性能。Q02HCPU主要控制伺服放大器和定位模塊，調(diào)用定位模塊中存儲(chǔ)的定位項(xiàng)目進(jìn)行邏輯判斷。

定位模塊QD75D4是PLC與伺服系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的重要節(jié)點(diǎn)，CPU和外部設(shè)備將與定位相關(guān)的各類(lèi)參數(shù)、伺服參數(shù)讀寫(xiě)入定位模塊，同時(shí)定位模塊將運(yùn)算得到的各種數(shù)據(jù)，傳輸給伺服放大器。定位模塊內(nèi)部各種數(shù)據(jù)的交換，反應(yīng)了整個(gè)伺服系統(tǒng)數(shù)據(jù)的交換。

圖2為CPU、定位模塊和伺服系統(tǒng)的通信圖。CPU接收到上位機(jī)的工件程序，輸出命令給QD75D4定位模塊。定位模塊將各條命令轉(zhuǎn)變?yōu)槲恢眯盘?hào)，通過(guò)光纖傳給伺服驅(qū)動(dòng)裝置。根據(jù)位置信號(hào)，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的伺服電機(jī)定位。定位模塊還將機(jī)械系統(tǒng)的信號(hào)，反饋給CPU，形成位置的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

圖2 CPU、定位模塊和伺服系統(tǒng)的通信

一個(gè)QD75D4定位模塊可以控制4個(gè)數(shù)控軸，該龍門(mén)移動(dòng)式三維鉆床共有8個(gè)數(shù)控軸，選用了2個(gè)QD74D4模塊并聯(lián)，QD75D4與8個(gè)伺服放大器通過(guò)專(zhuān)用電纜網(wǎng)絡(luò)通信。圖3為定位模塊與控制龍門(mén)移動(dòng)的X1軸伺服驅(qū)動(dòng)器的硬件連接圖。

圖3 定位模塊與X1軸伺服驅(qū)動(dòng)器之間的硬件連接圖

2.2 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是指以機(jī)床移動(dòng)部件(如工作臺(tái)、動(dòng)力頭等）的位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，定位模塊計(jì)算了電機(jī)從一點(diǎn)到另一點(diǎn)所走過(guò)的各點(diǎn)的位置坐標(biāo);伺服放大器控制電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的動(dòng)態(tài)性能。該龍門(mén)移動(dòng)式三維鉆床有8個(gè)數(shù)控軸，各數(shù)控軸的位置和功能主要分別為:X1軸、X2軸分別位于床身兩側(cè)，帶動(dòng)龍門(mén)做往復(fù)運(yùn)動(dòng);Y1軸、Y2軸、Z軸分別安放于龍門(mén)左側(cè)、右側(cè)和上側(cè)，帶動(dòng)三個(gè)方向的動(dòng)力頭在三維空間精確定位，可以完成多軸直線(xiàn)插補(bǔ)運(yùn)算控制;A軸、B軸和C軸伺服電機(jī)位于三個(gè)動(dòng)力頭上，根據(jù)加工需要，控制鉆頭的進(jìn)給量。

X軸的伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由伺服電機(jī)、減速機(jī)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)等組成，龍門(mén)移動(dòng)采用齒輪齒條傳動(dòng)方式。齒輪齒條機(jī)構(gòu)是機(jī)床常用的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，本次采用齒輪作為動(dòng)力源和運(yùn)動(dòng)件，該結(jié)構(gòu)具有移動(dòng)速度快和行程無(wú)限制的特點(diǎn);Y軸、Z軸、A軸、B軸和C軸的伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相同，均由伺服電機(jī)和滾珠絲杠結(jié)構(gòu)等組成。采用精密滾珠絲桿減少了反向間隙并減小了所需的驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)力。伺服電動(dòng)機(jī)是否選擇得當(dāng)直接關(guān)系到整個(gè)伺服系統(tǒng)機(jī)電參數(shù)與系統(tǒng)的性能是否匹配。該設(shè)備伺服系統(tǒng)均選用松下A4伺服電機(jī)MHMA系列。MHMA系列伺服電機(jī)具有中容量和大慣量電機(jī)特點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)自動(dòng)調(diào)整增益，響應(yīng)速度高。

為了系統(tǒng)精確定位和運(yùn)動(dòng)保護(hù)，在每一軸的端點(diǎn)位置安裝有原點(diǎn)開(kāi)關(guān)和正反向限位開(kāi)關(guān)，圖4中，標(biāo)出了X軸的原點(diǎn)開(kāi)關(guān)K1和左右限位開(kāi)關(guān)K2、K3。這些開(kāi)關(guān)信號(hào)通過(guò)定位模塊輸入到位置控制系統(tǒng)中。

圖4 伺服傳動(dòng)系統(tǒng)

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)和下位機(jī)PLC軟件設(shè)計(jì)。上位機(jī)設(shè)計(jì)采用VB6.0編程語(yǔ)言，設(shè)計(jì)上、下位通信程序和監(jiān)控界面;PLC軟件設(shè)計(jì)采用梯形圖編輯功能。上位機(jī)與PLC的通信借助于三菱Q02H系列PLC自帶的QJ71-C24-R2型通信模塊，該模塊可以無(wú)序地和計(jì)算機(jī)、打印機(jī)等具有RS-232接口的設(shè)備進(jìn)行連接通信。

這里主要介紹下位機(jī)軟件編程，控制系統(tǒng)程序是按生產(chǎn)工藝要求進(jìn)行程序編制，主程序控制流程，如圖5所示。程序開(kāi)始后，上位機(jī)將編輯好的加工文件傳到PLC中，自動(dòng)生成加工程序，可按件號(hào)隨時(shí)存儲(chǔ)、調(diào)用、顯示和通訊。上位機(jī)輸入完程序后，送料機(jī)構(gòu)將工件放置到床身工作臺(tái)上，夾緊機(jī)構(gòu)夾緊工件。鉆孔加工循環(huán)啟功，龍門(mén)沿X軸移動(dòng)到開(kāi)始位置，左右兩側(cè)動(dòng)力頭進(jìn)行H型鋼兩翼板上孔的加工，上動(dòng)力頭進(jìn)行腹板上孔的加工，完成該X面上所有孔的加工后，龍門(mén)移動(dòng)到下一位置。如此循環(huán)，直到完成H型鋼上所有孔的加工，卸下工件，龍門(mén)和動(dòng)力頭回位，程序結(jié)束。

圖5 PLC程序編寫(xiě)流程圖

控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)各加工參數(shù)手動(dòng)調(diào)整控制和全過(guò)程自動(dòng)控制兩種方式。手動(dòng)方式是指利用按鈕對(duì)各數(shù)控軸的工作單獨(dú)進(jìn)行控制，例如可分別控制三個(gè)動(dòng)力頭的工作情況，使三個(gè)動(dòng)力頭同時(shí)工作或單獨(dú)工作等。

本系統(tǒng)在龍門(mén)的移動(dòng)過(guò)程中設(shè)置了龍門(mén)同步檢測(cè)程序。雖然龍門(mén)兩側(cè)采用了相同驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，但在龍門(mén)移動(dòng)過(guò)程中，由于所受負(fù)載和阻力不同，容易引起龍門(mén)不同步，產(chǎn)生機(jī)械耦合，將嚴(yán)重影響加工質(zhì)量，損壞機(jī)床零部件。龍門(mén)的同步檢測(cè)方法就是使用編碼器檢驗(yàn)機(jī)床驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度，并將兩軸的信息反饋到PLC中，將同步電機(jī)的給定位置參考量與兩電機(jī)實(shí)際位置反饋量比較，比較結(jié)果作為被同步電機(jī)的位置參考量，時(shí)時(shí)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出，保證了龍門(mén)框架運(yùn)功的同步。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)龍門(mén)移動(dòng)式三維鉆床的控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，將PLC運(yùn)用到控制系統(tǒng)中，進(jìn)行了PLC控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了三維伺服控制，提高了設(shè)備的生產(chǎn)能力，增強(qiáng)了加工的柔性。該系統(tǒng)能夠?yàn)檫M(jìn)一步研究復(fù)雜結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)多樣化中大型工業(yè)控制提供良好的平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)證明了該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，控制精度高，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

［1］劉海軍，王建方.三菱定位專(zhuān)用模塊FX2N-10GM在機(jī)床中的應(yīng)用［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2009(3）:42-45.

［2］錢(qián)榮芳.H鋼三維數(shù)控鉆孔機(jī)床的液壓進(jìn)給動(dòng)力頭設(shè)計(jì)［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2005(2）:102-103.

［3］郭洪澈，郭慶鼎.龍門(mén)移動(dòng)式數(shù)控銑鉆床的龍門(mén)柱同步控制方法［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2001(7）:7-8，10.

［4］張建剛，鄭萍，張皓亮，等.基于Q系列PLC的三維伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2010，38(22）:112-115.

［5］趙立新，丁筱玲，于永友，等.基于PLC的數(shù)控轉(zhuǎn)塔打字系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 機(jī)床與液壓，2010，38(10）:61-64.

［6］白幸福，韓軍鋒，司磊，等.基于PLC數(shù)控型角鋼生產(chǎn)線(xiàn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.裝備制造技術(shù)，2009(7）:74-79.

［7］于海龍，石東東，趙秀美.基于PLC的數(shù)控卷板機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)研究［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2011，2(1）:133-137.

［8］胡秋.數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2004(6）:55-56.

［9］三菱電機(jī)株式會(huì)社.QD75M Positioning Module User’s Manual［M］.2002.

［10］三菱電機(jī)株式會(huì)社.Q系列定位模塊QD75P/QD75D用戶(hù)手冊(cè)［M］.2009.