基于PLC 的模具雕銑與深度在線測量技術研究

劉新波， 黎 浪， 楊永青

（邵陽學院 多電源地區電網運行與控制湖南省重點實驗室， 湖南 邵陽 422000）

0 引言

模具是制造業的重要基礎工藝裝備， 可用來生產工業產品所需要的一些零部件。 模具的制造水平也是衡量一個國家制造業水平高低的重要標志[1]。模具內尺寸精度，即模具內腔的尺寸精度一直是沖壓工藝和模塑成型工藝研究的重點內容[2]。隨著中國制造2025 等計劃的實施，模具制造效率和制造精度之間的矛盾越來越突出，從而使模具在制造狀態下的測量任務（在機測量或在線測量）顯的越來越重要[3-5]。

模具的測量是模具制造的一個重要工藝， 其尺寸參數是其成型產品的直接反映，決定著成型質量。 目前，在機床上測量模具的內腔尺寸，主要為接觸測量方式。現場使用最多的是卡尺、千分表等傳統尺寸測量法，這種方法但精度低，而且耗時量大。 部分有條件的企業將模具置于三坐標測量機之上進行測量，此方法雖然精度高，但是若離機測量后仍需加工，將造成二次加工誤差，因此多數情況下，直接將不合格的被測樣品報廢，另外，該方式受限于測量效率，難以滿足ISO9000 等標準對產品全檢的要求[6]。

針對上述問題， 本文基于PLC 設計了一套深度在線加工測量裝置。 該裝置實現了在線加工測量，整個裝置不僅提高了模具測量的精度和效率， 而且由LabView 軟件制作的人機界面操作方便。 模具加工的過程中，增加在線檢測技術，檢測實時數據，進行反饋，不斷提高模具的加工質量和加工效率[7]。

1 裝置的結構及控制方案

1.1 裝置的結構及工作原理

該裝置加工檢測原理見圖1， 整體示意圖中包括雕銑機床、磁力角架、模具、激光測量單元。激光測量單元示意圖主要包括：激光傳感器、安裝架、磁力座、萬向節、防護擋板和氣嘴。

圖1 裝置的結構示意圖

如圖1（a）所示為，加工之前，將代加工模具放在工作臺上， 將激光測量單元通過磁力座固定在機床合適位置后，手動調節所述磁力角架上的各個角關節，使得所述激光測量單元的激光出射光斑定位到模具上的待測點。 激光傳感器的輸出數值由PLC 的模擬量模塊進行AD 轉換，并實時傳輸至上位機；在加工狀態時，上位機將處理后的深度參數傳輸至PLC， 使得PLC 實時調節數值方向的進給量，同時，在激光測量裝置中設置氣嘴，能實時吹除加工碎屑， 防護板能防止碎屑飛濺損傷激光測量單元的內部部件。

1.2 控制系統方案的設計

根據加工檢測的裝置要求， 控制系統主要由模擬量采集模塊、PLC 主機、步進電機驅動器、模擬量采集模塊、電主軸變頻器、 激光位移傳感器和上位機人機界面等組成，見圖2。 控制系統中的傳感器用于實時檢測模具的深度參數，獲得實時數據傳輸至PLC 中，再經過由上位機進行實時處理和分析。 PLC 和上位機采用PC Access SMART OPC 進行直接通信，方便快捷。 數據處理完后，上位機再將準確的數據傳輸至PLC 完成進給參數的實時調節。 由LabView 軟件制作的界面作為系統的人機界面，用來顯示數據和參數設置。

圖2 裝置的控制系統組成

由于本套系統采用的雕銑機的X、Y、Z 進給軸采用步進電機，改造后由PLC 發出脈沖信號的進行控制，其脈沖由設定的進給速度決定，特別的，加工狀態下Z 軸的進給量由激光傳感器反饋后的深度參數決定。 針對所采用的電主軸進行控制， 采用變頻器自帶的面板進行參數設定，PLC 僅對其進行啟停控制。 上位機（人機界面）可用于現場控制、 控制參數設置、 以及加工路徑和數據檢測分析，也可以通過手動或點動的方式對裝置進行控制。

2 控制系統的分析設計及硬件選型

2.1 控制及擴展模塊

整個裝置的控制系統包括PLC、傳感器、變頻器、驅動器以及相應的擴展模塊和人機界面等。 計算機可以通過以太網與PLC 實現通訊，在STEP7-Micro/WIN SMART軟件上進行編程。 通訊推出的OPC（OLE for Control）服務器軟件。 跟其他標準的OPC 客戶端進行通信并提供數據信息。在本文中是檢測STEP7-Micro WIN SMART 軟件中已經編好的程序，它具有測試功能。 這樣一來，便可以測試配置情況和通信情況。

本文采用的是西門子公司生產的S7-200 SMART 系列的CPU ST 30 DC/DC/DC 作為控制核心， 該PLC 提供18 點數字量輸入，12 點數字量輸出， 并且有3 個脈沖輸出接口，能夠滿足系統對I/O 口需求。 模擬量擴展模塊選擇EM AE04，模擬量輸入模塊，4 輸入。 根據整個系統的要求分配PLC 輸入輸出端口， 各設備及傳感器元件的PLC 端口地址分配見表1。

表1 PLC 端口地址分配

2.2 測量裝置模塊

為了實現在加工過程中對模具進行測量， 將激光位移傳感器為核心的激光測量單元固定在雕銑機床的主軸支架上， 手動調節使測量單元的激光斑定位到模具的待測點上。綜合考慮精度和結構參數，激光傳感器選擇型號為HG-C1030 的傳感器，測量中心距離為30mm，測量范圍為±5mm，電源電壓12～24V，電流應不超過40mA。

2.3 變頻器、驅動器與電機

為了改變主軸電機轉速進而改變模具加工時的速度，控制系統采用變頻器，其作用是對電機進行調速，變頻器選用AE200-2-1PH-1.5G， 單線輸入，220V 電壓，頻率為50～60Hz， 三線輸出，220V 電壓， 工作電流不超過7A。對電機不僅有保護作用，而且調速效率高、方便控制，使控制系統變得簡單。

為了控制另外三個電機的啟動、停機、轉速和對電路的保護，控制系統采用步進電機驅動器。 通過劃分表，設置可行性方案，操作起來相對容易。通過PLC 發出的脈沖控制電機的運行，脈沖數對應轉速的角度，脈沖頻率對應速度。 步進電機驅動器選用DM542， 供電電壓可達50VDC， 輸出電流峰值可達4.2A， 脈沖最高響應頻率200kHz，噪音小，抗干擾能力強，且可實現高精度定位。

3 系統軟件的設置

3.1 PLC 主程序設計

整個加工檢測系統的控制程序包括激光檢測模塊、設置模塊、數據存儲模塊和設備控制模塊。 檢測模塊是負責實時檢測被加工物的精度，從而進行調整。 設備控制模塊主要為PLC 對電機及設備傳感器信號的檢測和反饋控制。 設置模塊主要是設置傳感器的啟動值。 數據存儲模塊一方面是將檢測到的數據上傳至主控單元，從而進行分析， 另一方面顯示電機的運轉規律和運行情況，見圖3。

圖3 控制程序流程圖

從圖3 的流程圖來看， 系統和設備通上電之后，在人機界面上對控制系統進行初始化，檢測各設備傳感器的標定狀態，如過未檢測到數據則報警。對各種參數進行設置，將待加工模具在至工作臺，各方面都調節好之后，將編好的程序導入， 然后啟動。 銑刀開始工作，激光測頭發出的光斑對準加工位置，測得數據上傳至主控單元。

根據控制系統流程圖在STEP7-Micro/WIN SMAR 軟件上進行編程，見圖4，激光傳感器的模擬量信號轉換成數字信號。

圖4 信號轉換

3.2 人機界面設計

操作界面用LabView 軟件進行圖形化編程， 見圖5，操作界面包括四個部分， 第一個部分是坐標軸對應的坐標參數，第二個部分對應的是刀具的實際路徑圖，第三部分也就是運行狀態，包括啟動、停止運行和復位，兩個運行啟示燈，最后的一部分是數據分析處理。

圖5 人機界面圖

4 結束語

本文研究設計的在線測量加工裝置， 不僅可以完成模具的加工， 還可以根據模具所需要的精度進行再次加工。 同時，該系統采用PLC 作為控制器，具有工作穩定性好的特點。 在使用功能方面，系統可依據歷史數據對作業參數進行修改，可利用人機界面設定為自動作業或手動操作[8]。 該系統的成功實現，解決了模具在線加工同時進行的困難。