基于ＰＬＣ和觸摸屏的雙頭盲孔鉆機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄒禮明　裴海龍　賀躍幫　陳　亮

摘 要：根據(jù)雙頭盲孔鉆機(jī)的工藝要求,介紹以松下PLC為控制中心,以威綸觸摸屏為人機(jī)交互界面,兩者相結(jié)合的控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)原理及其實(shí)現(xiàn)；采用模塊化程序設(shè)計(jì)的編程思想,增強(qiáng)了程序的功能可擴(kuò)展性及代碼可重復(fù)利用性。該系統(tǒng)的使用,既降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率,同時(shí)也為長時(shí)間的穩(wěn)定生成運(yùn)行提供了保證。

關(guān)鍵詞：可編程控制器;雙頭盲孔鉆機(jī);觸摸屏;步進(jìn)電機(jī);步進(jìn)順序控制

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2009)01-139-03

Study on Control System of Double Heads Half Hole Drilling Machine

Based on PLC and Touch Screen

ZOU Liming,PEI Hailong,HE Yuebang,CHEN Liang

(College of Automation Science and Engineering,South China University of Technology,Guangzhou,510640,China)

Abstract：Based on the technics demand of double heads half hole drilling machine,this paper introduces the software and hardware designing theory of the conrol system,using Panasonic PLC as the control center and Weinview touch screen as the HMI.Since it uses the method of modularization program design,this program has a reasonable extensibility in function and the codes reusability.Using this control system,it reduces the labor intensity and improves the producing efficiency,also provids impelling endurance on enhancing reliablity in long time use.

Keywords：programmable logic controller;double heads half hole drilling machine;touch screen;step motor;step sequence control

0 引 言

雙頭盲孔鉆機(jī)是一種在實(shí)體材料上進(jìn)行鉆孔加工的常用機(jī)床,廣泛應(yīng)用于模具、汽車、機(jī)床制造等行業(yè)的零件加工生產(chǎn)當(dāng)中［1］。傳統(tǒng)的手工加工,不僅速度慢,而且還極容易出錯(cuò),導(dǎo)致產(chǎn)品生產(chǎn)率低下。

可編程邏輯控制器(PLC)具有穩(wěn)定性好,控制精度高等優(yōu)點(diǎn),常被當(dāng)作控制器來使用；而觸摸屏的加入,即增強(qiáng)了人機(jī)交互的空間,還能在一定程度上減少PLC的外部I/O點(diǎn)的使用以及減輕系統(tǒng)連線復(fù)雜程度,由二者組合在一起的控制系統(tǒng)越來越廣泛地應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。

這里采用松下PLC(FP-X C60T)與威綸觸摸屏(Weinview MT506)設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)。實(shí)踐效果表明,完全能夠達(dá)到雙頭盲孔鉆機(jī)的設(shè)計(jì)要求。

1 工藝控制要求與控制系統(tǒng)組成

雙頭盲孔鉆機(jī)機(jī)械圖如圖1所示,它主要由6個(gè)氣缸,4個(gè)步進(jìn)電機(jī),2個(gè)主軸電機(jī)組成。其中,氣缸1起到壓緊加工件的作用；氣缸2用于定位作用,使得刀具與加工點(diǎn)處在同一水平線上；氣缸3起緊固加工件的作用,防止加工時(shí)加工件因外力松動(dòng)滑離加工位置；氣缸4用于旋轉(zhuǎn)工件,當(dāng)一個(gè)表面加工完成,需要進(jìn)行第二個(gè)表面加工,進(jìn)行第二次加工時(shí),需要將加工件旋轉(zhuǎn)一次；氣缸5,6起到對(duì)準(zhǔn)加工件中心位置的作用。

4個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別控制4個(gè)軸向運(yùn)動(dòng),左右移動(dòng)電機(jī)向加工平臺(tái)方向移動(dòng),將搭載有主軸電機(jī)的兩個(gè)左右鉆電機(jī)靠近加工平臺(tái)；左右鉆電機(jī)負(fù)責(zé)推送主軸電機(jī)前進(jìn)進(jìn)行鉆孔加工,主軸電機(jī)安裝有刀具。在加工過程中,如果一次性加工完成,則因加工深度太深,冷卻液難以進(jìn)入,導(dǎo)致刀具溫度過高而被燒壞,鐵屑也難以排出,進(jìn)而導(dǎo)致加工失誤,影響加工精度及生產(chǎn)效率,因此,在加工過程中,需要周期性地從待加工件中退出刀具,起到退屑、散熱的作用［1,2］。

1.1 系統(tǒng)工藝控制要求

雙頭盲孔鉆機(jī)的控制動(dòng)作主要分為氣缸動(dòng)作和電機(jī)控制動(dòng)作。其中,氣缸動(dòng)作完成加工件的夾緊、推料到位等工作；電機(jī)動(dòng)作完成電機(jī)的自動(dòng)加工動(dòng)作。主要的控制要求有：

(1) 具有手/自動(dòng)功能狀態(tài)。手動(dòng)時(shí),要求可以對(duì)工序中氣缸動(dòng)作與電機(jī)動(dòng)作的每個(gè)步驟進(jìn)行獨(dú)立操作,以便于試機(jī)調(diào)試。自動(dòng)方式運(yùn)行時(shí),需嚴(yán)格按照工藝步驟時(shí)序要求運(yùn)行。

(2) 左右鉆電機(jī)必須是在左右移電機(jī)動(dòng)作完成之后才能開始動(dòng)作,以保證刀具不會(huì)碰到其他部件而被損壞。

(3) 鉆孔時(shí),要求左右鉆電機(jī)周期性地前進(jìn)后退,推送主軸電機(jī)及刀具完成整個(gè)加工動(dòng)作,即需將一個(gè)加工分成多個(gè)小線段加工,保證每次前進(jìn)加工后都能使得刀具從待加工件中退出,起到退屑和冷卻的作用效果。

(4) 需要有急停保護(hù)措施。急停按鈕一按,產(chǎn)生報(bào)警信號(hào),同時(shí)機(jī)床所有部件動(dòng)作均停止,只能回零操作有效?；亓悴僮鲉?dòng)的同時(shí)報(bào)警取消。

(5) 需要有換刀、對(duì)刀功能。當(dāng)發(fā)現(xiàn)刀具不利時(shí),換完刀具之后,要進(jìn)行自動(dòng)對(duì)刀操作。

1.2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)采用松下PLC與威綸觸摸屏相結(jié)合的方式：威綸觸摸屏主要用于加工工藝參數(shù)的設(shè)置以及對(duì)PLC發(fā)送控制信號(hào)和顯示PLC的狀態(tài)信息(比如報(bào)警信息,正在進(jìn)行的工序號(hào)信息等),通過觸摸屏軟件編程,將觸摸屏中的變量直接映射到PLC中,使得在觸摸屏上的各個(gè)動(dòng)作能夠直接反映在PLC中；PLC通過讀取現(xiàn)場的輸入信號(hào)以及觸摸屏的控制信號(hào),按照預(yù)先編好的程序進(jìn)行程序掃描之后,輸出控制信號(hào)到機(jī)床,以控制電機(jī)或者氣缸動(dòng)作；現(xiàn)場傳感器輸入信號(hào)由左右移電機(jī)極限位置、原點(diǎn)傳感器與左右鉆電機(jī)極限位置、原點(diǎn)傳感器和主軸電機(jī)電流傳感器等輸入信號(hào)組成。

2 硬件設(shè)計(jì)［3］

綜合考慮系統(tǒng)工藝要求,選用松下公司生產(chǎn)的FP-X C60T PLC。該P(yáng)LC具有4個(gè)脈沖輸出,由于每個(gè)脈沖輸出均有一個(gè)脈沖輸出口和脈沖方向輸出口以及原點(diǎn)位置和極限位置輸入口,故需占用4×4＝16個(gè) I/O口；再根據(jù)系統(tǒng)的其他控制要求,需設(shè)定4個(gè)輸入口(主軸超限電流和急停、啟動(dòng)輸入)和10個(gè)輸出口(包括對(duì)5個(gè)氣缸的控制輸出和報(bào)警信號(hào)、油泵信號(hào),主軸電機(jī)過流輸出信號(hào)等)。

觸摸屏選用威綸Weinview MT506觸摸屏,其開發(fā)軟件是Easy Builder,簡單易學(xué)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC軟件設(shè)計(jì)

松下FP-X C60T采用FPWIN GR Ver.2.72軟件進(jìn)行編程設(shè)計(jì),可采用梯形圖語言和順序功能圖語言進(jìn)行編程,本設(shè)計(jì)采用梯形圖編程。

軟件設(shè)計(jì)包括手動(dòng)方式和自動(dòng)方式設(shè)計(jì),其中手動(dòng)方式要求對(duì)各個(gè)動(dòng)作都能單獨(dú)獨(dú)立運(yùn)行,自動(dòng)方式操作時(shí)需要嚴(yán)格按照工藝要求的操作流程來完成整套動(dòng)作。軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

3.1.1 自動(dòng)方式設(shè)計(jì)

雙頭盲孔鉆機(jī)自動(dòng)方式下的工作流程如圖2所示。

由于自動(dòng)方式具有較嚴(yán)格的工藝流程要求,編程時(shí)采用松下PLC的步進(jìn)轉(zhuǎn)移指令：SSTP,NSTL,NSTP,CSTP,STPE等5條指令［4］。而對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的控制［5,6］,則直接采用松下PLC中的脈沖輸出指令F171(SPDH),F172(PLSH)指令［7］。通過設(shè)置脈沖輸出指令控制字,還可以調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的最低速,最高速以及加速時(shí)間,脈沖個(gè)數(shù)等。使用松下PLC,對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制很方便。

3.1.2 手動(dòng)方式設(shè)計(jì)

手動(dòng)方式一般用于試機(jī)運(yùn)行及調(diào)試階段。設(shè)計(jì)有6個(gè)氣缸單步運(yùn)行,4個(gè)步進(jìn)電機(jī)單步執(zhí)行,2個(gè)主軸電機(jī)單步執(zhí)行。對(duì)于步進(jìn)電機(jī)控制,采用調(diào)用子函數(shù)的方法來對(duì)各個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行單步運(yùn)行。除此之外,換刀對(duì)刀功能也需要在手動(dòng)下完成。

3.1.3 步進(jìn)電機(jī)控制技巧

針對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制,采用松下PLC的特殊指令F171與F172。其中,針對(duì)F171有兩種不同的控制,一種是梯形圖控制,另外一種是原點(diǎn)返回控制。兩種控制通過設(shè)定數(shù)據(jù)表來選擇。這個(gè)指令可以用在自動(dòng)方式下的步進(jìn)電機(jī)控制。對(duì)于指令172(PLSH)是JOG控制,可以用于手動(dòng)方式的電機(jī)控制［7］。

3.1.4 急停功能設(shè)計(jì)

當(dāng)發(fā)生任何故障或者緊急情況時(shí),需要有急停保護(hù)措施。一旦按下急停按鈕,對(duì)于氣缸來說,則保持原狀態(tài)不變；對(duì)步進(jìn)電機(jī)來說,則需要將其脈沖輸出停止,使得電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。這可以通過設(shè)置脈沖輸出的控制命令字來完成。一旦出現(xiàn)緊急情況,則觸發(fā)急停按鈕,關(guān)閉脈沖輸出指令,步進(jìn)電機(jī)停止,同時(shí)報(bào)警信號(hào)產(chǎn)生。等按下回零按鈕時(shí),報(bào)警信號(hào)關(guān)閉,各步進(jìn)電機(jī)回到原點(diǎn)。同時(shí),還需要對(duì)PLC系統(tǒng)中的一些內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化,以備報(bào)警信號(hào)消除之后,鉆床能夠繼續(xù)進(jìn)行加工,而不是在故障發(fā)生時(shí)的狀況下繼續(xù)運(yùn)作。

3.2 觸摸屏設(shè)計(jì)

觸摸屏設(shè)計(jì)包括創(chuàng)建人機(jī)界面和實(shí)現(xiàn)與PLC主機(jī)之間的通信兩個(gè)方面的設(shè)計(jì)［8,9］。

3.2.1 觸摸屏人機(jī)界面設(shè)計(jì)

使用Easy Builder軟件設(shè)計(jì)人機(jī)界面。該軟件提供了多種控制器件庫、圖形空間和功能組件。根據(jù)系統(tǒng)工藝要求,配置有主畫面、手動(dòng)1、手動(dòng)2、手動(dòng)3和參數(shù)界面共4個(gè)界面。其中,主界面配置的部件有回零點(diǎn)、換刀對(duì)刀按鈕,手/自動(dòng)切換按鈕、主軸電機(jī)按鈕、氣缸油泵按鈕、啟動(dòng)按鈕還有急停按鈕；手動(dòng)1、手動(dòng)2是分別對(duì)左右移電機(jī)、左右鉆電機(jī)進(jìn)行手動(dòng)單獨(dú)控制,均設(shè)有快/慢速切換按鈕、左右前進(jìn)按鈕和左右后退按鈕、同時(shí)前進(jìn)、同時(shí)后退按鈕等；手動(dòng)3界面是對(duì)6個(gè)氣缸的單獨(dú)手動(dòng)控制,分別為各個(gè)氣缸分配了一個(gè)按鈕；參數(shù)界面主要設(shè)定工件加工初始位置、鉆孔深度、進(jìn)刀量等參數(shù)。圖3為雙頭盲孔鉆機(jī)人機(jī)界面的結(jié)構(gòu)圖。

3.2.2 觸摸屏與PLC的通信［10］

設(shè)定人機(jī)界面中的變量,使其與PLC中的相應(yīng) I/O點(diǎn)或存儲(chǔ)單元之間建立聯(lián)系,實(shí)現(xiàn)觸摸屏對(duì)PLC的控制及參數(shù)的輸入,控制PLC的運(yùn)行狀態(tài)。

除此之外,還需要設(shè)定觸摸屏與PLC之間的通訊參數(shù),實(shí)現(xiàn)觸摸屏與PLC之間的通訊。

4 結(jié) 語

在鉆機(jī)系統(tǒng)中,采用PLC控制,使得系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)簡單可靠,而觸摸屏的設(shè)計(jì),即增強(qiáng)了人機(jī)交互能力,同時(shí)也大大減少了傳統(tǒng)控制方法中的開關(guān)、按鈕、指示燈、儀表等電子器件的使用,還間接地減少了PLC外部I/O點(diǎn)的使用,簡化了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。兩者的結(jié)合,綜合了各自的優(yōu)點(diǎn),不但操作方便,系統(tǒng)性能也更加安全可靠,具有廣闊的應(yīng)用前景。

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作者簡介鄒禮明 男,1983年出生,江西贛州人,碩士。研究方向?yàn)閿?shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì),軟PLC研究。

裴海龍 男,1965年出生,河南鄧縣人,博士,副院長,教授、博士生導(dǎo)師。長期從事嵌入式系統(tǒng)、智能機(jī)器人系統(tǒng),自適應(yīng)自組織控制等方面的研究和教學(xué)。

賀躍幫 男,1983年出生,江西萍鄉(xiāng)人,碩士。研究方向?yàn)榛旌峡刂啤?/p>

陳 亮 男,1983年出生,廣東興寧人,碩士研究生。主要研究方向?yàn)閳D像處理,嵌入式系統(tǒng)。