PLC 在CGJ-100 銑切機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

張永聰，張晨曦，王曉奎

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

由于羅杰斯板具有不同頻率下穩(wěn)定的電特性，低介電常數(shù)溫度系數(shù)，低損耗及優(yōu)異的高頻性能等優(yōu)點，所以大多數(shù)濾波器等微波器件均采用羅杰斯板作為材料。它在微波器件中的使用方法大致分為兩種：(1) 預(yù)先把羅杰斯板焊接在器件底部，然后對已經(jīng)焊接好的羅杰斯板開孔、開槽；如圖1 所示。

（2）已經(jīng)開孔或開槽的羅杰斯板與管殼焊接后，焊料溢出，影響芯片的焊接，需要對溢出的焊料進(jìn)行剝離，并對需要焊接芯片的地方進(jìn)行清理，如圖2 所示。

以上兩種方法中，不論開孔、開槽，還是清理溢出的焊料，目前主要依靠人工實現(xiàn)，即技術(shù)人員在顯微鏡下利用工藝刀具加工，效率低且切割質(zhì)量參差不齊。如何高效率高質(zhì)量地在羅杰斯板上完成工藝圖形切割，一直是相關(guān)技術(shù)人員要解決的問題。

圖1 待開孔/ 槽的羅杰斯板

圖2 待清理焊料的羅杰斯板

1 銑切機(jī)的工作過程

銑切機(jī)主要利用高速旋轉(zhuǎn)的電主軸帶動微型銑刀對羅杰斯板上需要加工的位置，按照設(shè)計的圖形進(jìn)行銑切。如圖3 所示為銑切機(jī)的整機(jī)示意圖。

首先通過設(shè)備的“差值測高”功能，測量出上測高頭與銑刀頭之間的高度差值、X 向及Y 向距離。其原理是Z 軸向下運動使上測高頭和下測高頭接觸，PLC 接收到下測高頭輸入信號時，存儲此時X、Y 及Z 軸的絕對位置分別為X1，Y1 和Z1。然后Z 軸復(fù)位，移動XY 平臺，Z 軸再次向下運動使銑刀頭與下測高頭接觸，同樣PLC 接收到下測高頭輸入信號時，存儲此時X、Y 及Z 軸的絕對位置 分 別 為X2，Y2 和Z2。（X1-X2），（Y1-Y2），（Z1-Z2）即分別為上測高頭與銑刀頭之間的X 向差值△X，Y 向差值△Y 和高度差值△Z。

再把上測高頭準(zhǔn)確地移動到加工位置，然后利用“定位測高”功能，Z 軸下降直至PLC 接收到上測高頭輸入信號，存儲此時Z 軸絕對位置Z3。Z軸復(fù)位后，XY 平臺X 向與Y 向分別相對移動△X 和△Y。Z 軸再次下降到絕對位置（Z3+△Z）后，銑刀頭即接觸到加工位置表面。根據(jù)設(shè)計的圖形尺寸，把需要的數(shù)據(jù)按照設(shè)備加工要求通過觸摸屏輸入到PLC 中，即可開始自動運行。如果加工位置較多且圖形一致，可以預(yù)先把所有位置存入PLC 數(shù)據(jù)寄存器。銑切刀將按照設(shè)計的圖形和保存的位置自動銑切，運行結(jié)束后，銑刀自動提升到設(shè)定高度。

圖3 銑切機(jī)整機(jī)示意圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)基于PLC 與觸摸屏HMI 實現(xiàn)系統(tǒng)集成。PLC 對整個控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，并與觸摸屏和變頻器進(jìn)行通訊。通過觸摸屏可以設(shè)置電主軸的轉(zhuǎn)速、各運動軸的速度，同時監(jiān)測限位及電主軸的狀態(tài)等。觸摸屏、PLC 以及變頻器均選用臺達(dá)系列。3個運動軸都采用高精度步進(jìn)電機(jī)，其中Z 軸可完成分辨率為0.001 mm 的切深進(jìn)給。各軸均可用操縱桿進(jìn)行運動控制。變頻器控制電主軸的最高轉(zhuǎn)速可達(dá)70 000r/min。電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、慣性小、振動小、噪聲低、響應(yīng)快等優(yōu)點，且轉(zhuǎn)速高、精度高、效率高，是高速主軸單元中的一種理想結(jié)構(gòu)，電主軸軸承采用高速軸承技術(shù)，耐磨耐熱，壽命是傳統(tǒng)軸承的幾倍。配有標(biāo)準(zhǔn)的ER11 夾頭，簡化主軸結(jié)構(gòu)。最大可以夾持準(zhǔn)6 mm 的刀柄，完全滿足工藝要求。通過兩路CCD 相機(jī)同時對加工過程進(jìn)行正面及側(cè)面監(jiān)控。設(shè)備控制框圖和PLC 接線圖如圖4 和圖5 所示。

圖4 設(shè)備控制框圖

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 PLC 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)PLC 控制部分軟件采用臺達(dá)公司開發(fā)的編程軟件工具WPLSoft V2.35 進(jìn)行開發(fā)。程序流程圖如圖6 所示。

（1）運動軸控制

運動軸控制主要包括X、Y 及Z 共3 軸的JOG 移動、相對移動和絕對移動等。

JOG 移動和相對移動均通過觸摸屏設(shè)置移動速度及移動距離后，利用操縱桿進(jìn)行操作。部分代碼如下：

圖5 設(shè)備PLC 接線圖

圖6 程序流程圖

指令 注釋

PLSV D214 Y0 Y1 //Y 軸以速度D214 連續(xù)（JOG+）移動

DMUL K-1 D214 D154 //D154 存儲大小與D214 相等但方向相反的速度

PLSV D154 Y0 Y1 // Y 軸以速度D154 連續(xù)（JOG-）移動

DDRVI D204 D206 Y0 Y1 //Y 軸以速度D206 移動相對位移D204

DMUL K-1 D204 D164 //D164 存儲大小與D204 相等但方向相反的速度

DDRVI D164 D206 Y0 Y1 //Y 軸以速度D206 移動相對位移D164

DDRVA D314 D316 Y0 Y1 //Y 軸以速度D316 移動到絕對位置D314

（2）自動測高控制

自動測高控制中主要分單步測高和差值測高兩部分。單步測高是指利用測高頭測量被加工表面的Z 軸縱向高度，即Z 軸接觸表面時的行程。差值測高是指測量測高頭與銑刀頭之間的高度差。部分代碼如下：

指令 注釋

//差值測高

//X、Y 軸移動下測高頭到銑刀頭下面

DDRVA D554 K4000 Y2 Y3 //X 軸以速度K4000 移動到絕對位置D554

DDRVA D556 K4000 Y0 Y1 //Y 軸以速度K4000 移動到絕對位置D556

PLSV D216 Y4 Y5 //Z 軸以速度D216 連續(xù)（JOG+）移動

AND X17 //下測高頭X17 閉合

DMOV D1375 D190 //保存當(dāng)前Z 軸位置到數(shù)據(jù)寄存器D190

//X、Y 軸移動下測高頭到上測高頭下面

DDRVA D550 K4000 Y2 Y3 //X 軸以速度K4000 移動到絕對位置D550

DDRVA D552 K4000 Y0 Y1 //Y 軸以速度K4000 移動到絕對位置D552

SET Y10 //氣缸下降

PLSV D216 Y4 Y5 //Z 軸以速度D216 連續(xù)（JOG+）移動

AND X17 //下測高頭X17 閉合

DSUB D1375 D190 D500 //Z 軸當(dāng)前位置減去數(shù)據(jù)寄存器D190 中的數(shù)值，差值保存到D500

//單步測高

PLSV D216 Y4 Y5 //Z 軸以速度D216 連續(xù)（JOG+）移動

AND X16 //上測高頭X16 閉合

DMOV D1375 D502 //保存當(dāng)前Z 軸位置到數(shù)據(jù)寄存器D502

DDRVA D250 K5000 Y4 Y5 //Z 軸以速度K54000 移動到絕對位置D250

（3）銑切控制

銑切控制主要設(shè)置銑切時需要的參數(shù)，即所使用銑刀的直徑，切割的數(shù)量、深度、次數(shù)及長度和寬度。例如使用直徑為φA 的銑刀銑切N 個相同的長度為L，寬度為W，深度為H 的圖形。部分代碼如下：

指令 注釋

DDIVP D50 D52 D70 //Z 軸單次下降深度D70

DDIVP D98 D60 D75 //Y 軸單段移動D75

DDRVI D70 D210 Y4 Y5 //Z 軸以速度D210 下降深度D70

BMOV D1338 D92 K2 //保存X 軸當(dāng)前位置到數(shù)據(jù)寄存器D92

BMOV D1336 D90 K2 //保存Y 軸當(dāng)前位置到數(shù)據(jù)寄存器D90

DDRVI D80 D202 Y2 Y3 //X 軸以速度D202 移動相對位移D80

DDRVI D82 D206 Y0 Y1 //Y 軸以速度D206 移動相對位移D82

DDRVI D96 D202 Y2 Y3 //X 軸以速度D202 移動相對位移D96

//如果單次切割完成，X、Y 軸回到起點

DDRVA D90 K5000 Y0 Y1 //Y 軸以速度K5000 移動到絕對位置D90（起點）

DDRVA D92 K5000 Y2 Y3 //X 軸以速度K5000 移動到絕對位置D92（起點）

3.2 控制系統(tǒng)操作界面

控制界面中包含主控界面、銑切設(shè)置界面、狀態(tài)顯示界面、運動參數(shù)界面、絕對移動界面及測高設(shè)置界面等。在各個界面中用戶均可以方便地設(shè)置運行所需的參數(shù)。如果參數(shù)輸入錯誤，系統(tǒng)會給予提示，停止運行確保安全。在狀態(tài)顯示界面中實時顯示各軸限位的狀態(tài)、主軸運行狀態(tài)等信息。方便用戶的觀察和操作。如圖7，8，9，10，11，12 所示。

圖7 銑切設(shè)置界面

圖8 主控界面

圖9 運動參數(shù)設(shè)置界面

圖10 絕對移動界面

圖11 自動測高界面

圖12 狀態(tài)顯示界面

5 結(jié)束語

本文主要介紹應(yīng)用DVP-EH3 PLC 對銑切機(jī)進(jìn)行控制，完成羅杰斯板的加工。操作界面簡單，方便使用者對設(shè)備的操作。經(jīng)實際運行，此系統(tǒng)可以實現(xiàn)精準(zhǔn)控制，操作方便，監(jiān)控直觀的目的。很大程度上縮短了羅杰斯板的加工時間，提高生產(chǎn)效率。

[1] 劉涵綺. PLC 在原料氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]. 自動化技術(shù)與應(yīng)用，2014，33(6)：35-39.