基于PLC的數控鉆床控制器設計與研究

摘要：隨著智能制造技術和社會經濟的不斷發展，人們對數控鉆床的加工精度提出了更高的要求，實現對加工系統的自動化控制，對于提高加工效率具有重要意義。根據鉆床加工需求，利用PLC技術對傳統鉆床的加工方式進行了改進，設計了一種數控鉆床控制器。實踐證明，該控制器在保證工件加工精度的同時，大大降低了企業加工成本，具有較強的實用性。

關鍵詞：PLC;數控鉆床控制器;觸摸屏

0 引言

在傳統制造行業中，普通鉆床主要采取人工裝夾、定位和鉆孔的加工方式，鉆孔的精度和效率受到工人操作熟練程度、疲勞程度等方面因素影響較大，存在工人勞動強度大、自動化程度低、產品質量不穩定、加工速度慢等諸多問題。而商品化的數控系統價格比較昂貴，在進行一些簡單加工，比如鋼結構板材等材料的加工時，容易造成資源浪費，無形中增加了企業生產成本。用PLC控制數控鉆床，具有加工成本低、加工質量穩定、操作簡單、定位準確、經濟實用等顯著優勢，與傳統的鉆床加工方式相比，基于PLC的數控鉆床控制器，能夠滿足企業生產需求，在保證孔系加工精度的同時，使數控鉆床控制更加簡單化、科學化。

1 基于PLC的數控鉆床加工要求

鉆床是一種用于鉆孔、鉸孔、擴孔等孔類加工的機床，本文設計的是一種臺式數控鉆床，如圖1所示。

臺式數控鉆床設有活塞桿、液壓缸筒、皮帶輪和伺服電機。主軸由變頻器驅動異步電動機，電動機帶動皮帶進行傳動，從而驅動主軸進行轉動，鉆床Z向上下（垂直）運動，由液壓缸驅動電動機進行上下移動。

基于PLC的數控鉆床加工過程為：首先將需要加工的工件放置于鉆床工作臺上，接著調整鉆床前后、左右的方向輪，讓工件位于鉆頭的垂直正下方，依次啟動電機、液壓泵電機、進給運動開關，主軸轉動，鉆床開始對工件進行加工。數控鉆床的控制功能主要體現在以下幾個方面：

（1）對鉆床進行前后、左右方向的移動控制。利用滾珠絲杠、滾珠螺桿控制鉆床前后、左右方向移動。而前后、左右兩個方向的移動，都需要通過手動操作來對工件的具體位置進行精確定位。

（2）對鉆床加工速度的控制。利用變頻器對鉆床的快進、工進、快退等速度進行控制。

（3）對鉆床加工方式的控制。在鉆床加工工件的整個過程中，可以采取兩種方式進行加工：第一種是手動操作加工方式，在鉆床的啟動、停止、主軸快進、工進、快退等關鍵環節處，分別設置開關按鈕，由人工控制每一步工序;第二種是自動循環加工方式，當啟動電動機開關后，鉆床按照事先編寫的程序，自動對工件進行加工，當程序結束時，加工結束。

2 基于PLC的數控鉆床控制器設計

本文設計的PLC數控鉆床控制器，是在傳統鉆床加工基礎上進行的改進與創新，利用伺服電機控制鉆床進給位置和速度，并采用PID算法進行閉環控制。

2.1? ? 控制器硬件組成

控制器主要由主控器PLC、輸入設備和輸出設備等組成。PLC數控鉆床控制器系統組成如圖2所示，在控制過程中采用三菱GOT1000系列的PLC作為主控制器;輸入設備主要包括行程開關、控制按鈕和傳感器等;輸出設備主要包括電動機、電磁閥、繼電器及鳴笛、報警器等負載。

數控鉆床的工作原理如圖3所示。其中，M1和M2分別為鉆床主軸電動機和液壓泵電動機，KM1和KM2為接觸器開關，FU為熔斷器，QS1和QS2為斷路開關，FR1和FR2為熱繼電器。當電路中的線圈通電時，QS1和QS2斷開，FR1和FR2保護電機。

在基于PLC的數控鉆床加工控制過程中，主軸轉速受伺服電機控制，而轉速的穩定性直接關系到鉆床的加工精度。因此，在電機伺服控制中，采用PID算法進行閉環控制，對于控制主軸轉速起到十分重要的作用。

2.2? ? 控制器軟件設計

2.2.1? ? PLC控制器的I/O分配

本文設計的控制器主要采用手動開關和觸摸屏兩種控制方式。當控制器處于手動開關控制方式時，由人工對鉆床的啟動和停止進行設置，這樣便于鉆床相關設備的調試、維修等;當控制器處于觸摸屏控制方式時，可以選擇自動循環加工和單周期加工模式，通過點擊觸摸屏開關，利用繼電器控制整個電路中線圈的通斷。控制器的I/O口接線圖如圖4所示。其中，X0為急停命令，X1為啟動按鈕開關命令;X2、X3、X4和X5分別為檢測開關、快進限位、工進限位和快退限位等檢測信號;SB1、SB2、SQ1、SQ2和SQ3分別為鉆床急停、鉆床啟動、主軸快進、工進限位和快退限位的開關。

2.2.2? ? 程序流程

當初始輸入脈沖為M8002時，鉆床控制器系統處于原位停止狀態，此時，由人工啟動開關SB2，電源接通，PLC中的定時器T1啟動線圈KM1和KM2，線圈通電，定時結束，液壓泵及主軸電動機啟動;當電路中檢測到工件時，SB3按鈕啟動，此時工件被夾緊系統夾緊，啟動PLC中夾緊定時器T2進行定時，主軸開始快進，在此過程中按下行程開關SQ1，主軸從快進變為工進;按下底部行程開關SQ2，主軸從工進轉變為停留;PLC開啟主軸停留定時器T3，到達定時時間后，主軸從停留轉變為快退;當按下行程開關SQ3時，主軸停止快退;PLC啟動無工件定時器T4，到達指定時間后，液壓泵及主軸電動機停止運行。

2.2.3? ? 觸摸屏設計及仿真實驗

PLC是數控鉆床控制器中的關鍵設備，鉆床的整個工件加工過程都是在PLC和觸摸屏的監控下進行的。其中，觸摸屏是數控鉆床控制器實現人機互動的界面，在實際加工過程中，操作人員只需要通過觸摸屏就可以實現對系統的控制。根據鉆床加工和控制器設計要求，筆者選用型號為MCGS的TPC1162Hi觸摸屏，作為本次設計中的監控設備，既可以進行系統的自動啟動運行和停止，又可以通過手工操作的形式進行工件加工。

觸摸屏功能界面如圖5所示，在MCGS中利用PLC和搬運機械手等，建立觸摸屏控制功能界面，在數控鉆床控制器系統線路連接之后，可以根據不同的控制方式，設置電動機驅動器的PID值。

為了便于更好地觀察控制器的設計效果，筆者利用MATLAB軟件對系統進行樣機仿真實驗，通過對電動機穩定運行狀態時的最優參數進行測試發現，PID控制階躍響應時間與計算的理論結果相吻合，實踐證明，本文設計的PLC數控鉆床控制器具有合理性，并取得了良好的應用成果。

3 結語

隨著數控技術的快速發展，PLC不僅具有強大的編程和邏輯處理功能，而且能集CPU、輸入輸出、電源、功能、信號等模塊于一體，應用非常靈活和方便，在數控機床中應用廣泛。本文將PLC運用于數控鉆床控制器設計中，接線比較簡單，完全能滿足加工工藝和精度要求，通過控制電動機可以調節PID參數，對鉆床進給速度進行相應調整。實踐證明，基于PLC的數控鉆床控制器，提高了數控鉆床的工作效率與自動化水平，不僅使系統工作穩定、安全可靠，產品加工質量顯著提高，而且極大地減輕了工人勞動強度，使產品生產更加人性化、科學化。

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收稿日期：2020-08-04

作者簡介：李崇（1988—），男，江蘇宿遷人，講師，從事德育和機電教學工作。