基于PLC 的藥條自動打孔數控鉆床的研發?

趙繼宏，孟瑞峰，郭建東

（內蒙古工業大學 機械學院，內蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

某廠采用手動鉆床加工藥條，首先由工人用工具（直尺和圓規）對孔定位，然后采用手動鉆床加工，這個過程既費時費力，且藥條的定位精度不高，導致產品的質量和產量都不能達到預期的目標。同時，藥條加工過程對人體也會造成負面影響，員工作業的安全性也不高。為此，開發了數控鉆床進行藥條的加工，藥條的中心直接通過鉆床的自定心夾具定位，使加工效率大幅提高，且加工精度要高于人工定位的精度。

1 鉆孔機機械系統設計

數控鉆床是根據用戶要求設計的非標裝置，主要達到對藥條的鉆孔加工，一次裝夾，完成11根藥條的自動加工（藥條根數取決于Y軸的行程，根據用戶要求可以變化）。數控鉆床結構示意圖如圖1所示，它主要由X和Y軸步進電機、Z軸帶電磁制動的交流伺服電機、滾珠絲杠螺母副、滾動導軌等組成。Y軸完成水平方向的進給或后退，Z軸帶著主軸完成垂直方向的鉆削進給，X軸完成前后方向的進給。藥條通過自定心夾具由人工輔助夾緊在專用工裝上（藥條尺寸變化不會影響鉆孔的中心位置），再將專用工裝定位裝夾在工作臺上。Y軸和Z軸通過底座支撐在立柱上，X軸位于水平面上。每根軸可以單獨運動，也可以任意兩軸或三軸同時運動，運動模式取決于加工對象，最終通過編程來實現。考慮到主軸轉速不需要頻繁調節，采用ZJ-3104高速微型臺鉆主軸和電機組件，其額定功率為180W，鉆夾頭夾持直徑范圍為0.1mm～4mm，直流電機轉速為0r/min～10 000r/min，通過旋鈕可實現無級調速。

由于本數控設備為點位控制，只需要較高的定位精度，故各個軸的驅動電機采用經濟型步進電機和交流伺服電機來控制，性價比較高。

由于每次加工的11根藥條的截面大小不同、長度相同，所以需要開發一套自定心的多位夾具，不管截面多大的藥條，其中心線均可被夾具固定在同一位置。這套夾具通過圓銷固定在X軸工作臺上，夾具的機械結構示意圖如圖2所示。

圖1 數控鉆床結構示意圖

圖2是夾具的正面剖視圖，夾具中每個藥條的兩側均有1個勾狀夾板，勾狀夾板兩端由帶彈簧的導向柱固定，導向柱安裝在夾具底座前后方的兩排導向槽內，導向柱上方是帶彈簧的垂直頂桿，垂直頂桿由兩個桿、一個彈簧組成，其中彈簧夾在兩桿之間，整個垂直頂桿安裝在彈簧座上。垂直頂桿上方的零件是偏心套環，偏心套環被套在軸上，軸的兩端安裝在軸承座上，其中從軸承座延伸出的一端安裝皮帶輪，另一端安裝手動鎖緊輪，兩軸皮帶輪的直徑大小一樣，構成一個同步傳動裝置，一個皮帶輪帶有轉動手柄。

圖2 夾具的機械結構示意圖

2 數控鉆床的控制系統設計

控制系統是數控鉆床的核心，本機選擇了主從控制模式，控制系統電氣原理圖見圖3。鉆床的X軸和Y軸選用步進電機，Z軸選用伺服電機。

上位機（工控機）通過組態界面對各個軸的電機進行控制，可向下位機發送位置和速度命令。根據上位機的命令，下位機便產生脈沖序列，所產生的脈沖個數和頻率即為控制電機的位置和速度指令。步進電機和交流伺服電機驅動器根據接收到的脈沖信號，產生多節拍脈沖驅動信號控制伺服電機旋轉，從而完成運動。

圖3 控制系統電氣原理圖

3 數控系統的配置

用戶在隔離環境或遠離現場設備的操作間，用鼠標點擊“藥條自動鉆孔機控制面板”上的對應按鈕，就會完成相應的動作。如藥條已夾緊在底座上，只需點擊一下“鉆孔啟動”軟按鈕，即可完成11根藥條全部孔的加工。遠控操作面板如圖4所示。

圖4 遠控操作面板

數控鉆床3個軸工作臺的運動速度在一定范圍內可以無級調節，點擊控制面板上的“進給速度設定”對話框后，就進入速度調節界面，用鼠標拖動對應軸的“拉條塊”，速度值便寫到PLC的數據寄存器中，然后PLC通過程序寫入定位模塊，定位模塊改變發生脈沖頻率，使電機轉動速度發生變化。如需要查詢某一時刻的速度信息，可點擊控制面板上的“歷史曲線”對話框，便進入歷史曲線面板，改變時間，便可得到速度與時間的關系曲線。也可點擊電機“數據查詢？”對話框，從而得到速度數據。

4 編程前參數的設置

本項目編程之前需要了解定位模塊PGU、交流伺服驅動器、步進驅動器的使用方法，對其設置正確的參數。

4.1 PGU參數的設置

PGU是PLC的擴展模塊，它主要用來控制各個軸的工作臺做定位運動，同時設置定位運動的最大速度、最小速度、運行速度、電機調試的速度、定位的距離以及各種操作模式。PGU內部有30個緩沖寄存器，每個緩沖寄存器有16位，參數范圍大的用2個緩沖寄存器存放數據，參數范圍較小的用1個緩沖寄存器存放數據，它的寄存器用符號BFM＃和數字來表示。

BFM＃0，BFM＃1，BFM＃4，BFM＃5，BFM＃6，BFM＃7，BFM＃8，BFM＃9，BFM＃10，BFM＃11是各種工作模式速度的設置，這10個寄存器的值均由PLC寫入。BFM＃3是PGU工作方式的定義，每位不同的值分別代表不同的含義，需要注意的是b8位的設置，b8位是脈沖輸出格式設置，這個設置一定要和步進驅動器及交流伺服啟動器的設置一致，否則會導致三軸的電機不能正常正反轉動。BFM＃12是工作臺執行回原點操作，碰到近點開關后，回原點之前接收零點信號的數目設置，對于沒有反饋信號的步進驅動器，這個設置為0即可，對于閉環控制的交流伺服電機，如果BFM＃12設置不為0，PGU定位模塊的PG0＋和PG0－端子必須使用，這樣工作臺碰到近點開關后，PGU接受的零點信號達到BFM＃12的值時，工作臺立刻停止，該位置即為原點。原點位置的坐標值由各個軸PGU的BFM＃14和BFM＃13來設置，一般數控鉆床設置為0值，這樣方便其他位置參考。BFM＃15是加減速時間的設置。定位模塊的操作模式有13種，比如回原點操作模式、單速定位操作模式、雙速定位操作模式等。操作模式由BFM＃25來設置，寄存器的每一位代表一個操作模式，在程序中通過FROM指令把繼電器的值送到PGU的BFM＃25中，PGU將執行相應的操作模式。本設計主要用到3個操作模式：回原點操作模式、單速定位操作模式和JOG正反轉模式。JOG正反轉模式用來調試3個軸電機是否能正常工作；回原點操作模式是藥條自動打孔之前必須執行的操作，因為工作臺回到原點后，就把當前位置設置為0值，當打孔程序啟動后就把原點位置的坐標值作為鉆床加工每個孔移動距離的參考；單速定位操作模式是自動打孔用到的工作模式，各個軸工作臺以一種速度從一個點移動到另一個點。BFM＃18和BFM＃17是單速定位操作定位距離的設置。BFM＃20和BFM＃19是單速定位操作運行速度的設置。BFM＃27和BFM＃26用來存儲各個軸工作臺當前位置的值。這次設計的鉆床用不到參數，不需要設置。

4.2 步進驅動器參數設置

大部分電機工作的參數在PGU中設置，設置步進驅動器參數時只需在控制精度上和PGU設置一致即可，比如PGU的脈沖速率是每轉400脈沖，絲杠的導程是4mm，可知一個脈沖走0.01mm，那么設置步進驅動器的步進細分數要把精度控制在0.01mm，并且脈沖輸出格式要和PGU設置一致。

4.3 交流伺服驅動器參數設置

和步進驅動器一樣，交流伺服驅動器的大部分參數由PGU決定。主要是精度和脈沖輸出格式的設置要和PGU一樣，通過交流伺服驅動的電子齒輪比參數的設置可以改變其精度。通過設置驅動器的配置參數可以改變脈沖輸出格式。

5 小結

本控制系統以工業計算機作為上位機，PLC、擴展模塊及通信模塊作為下位機，上、下位機構成了主從的工作模式，方便工作人員在隔離現場的環境下工作，操作方法簡單，工作人員只要點一下組態界面啟動打孔按鈕就可以實現數控全自動打孔工作。