1、前言

我們都知道，使用傳統(tǒng)的普通平頭設(shè)備的進(jìn)行工件的平頭操作，平頭面的光滑度和平面度，會(huì)受到刀具的精確程度以及操作人員的熟練程度等諸多因素的影響。鑒于存在這種問(wèn)題，我們研制了數(shù)控平頭機(jī)，它可以按照輸入的進(jìn)刀曲線連續(xù)工作，始終保持高精度和高效率，從而充分保證平頭質(zhì)量。

2、控制要求

數(shù)控平頭機(jī)控制要求為：

（1）控制系統(tǒng)應(yīng)可調(diào)整刀頭加工程序；

（2）不同的加工階段可以選擇不同的加工速度和加工深度。空程的時(shí)候的進(jìn)刀曲線如圖1所示，加工時(shí)的進(jìn)刀曲線如圖2所示；

（3）主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)可調(diào)節(jié)，且范圍應(yīng)寬廣；

（4）加工精確度高，加工材料平面的光滑度要求為Ra≤1.6μm；

（5）定尺尺寸精度：±0.5mm

圖1 空程時(shí)進(jìn)刀曲線

圖2 加工時(shí)進(jìn)刀曲線

3、系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求配置硬件如下：

可編程控制器：1個(gè)西門子公司的S7-200系列CPU222PLC； 人機(jī)界面：1個(gè)DP210； 外設(shè)：2個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、2個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、2個(gè)三相電動(dòng)機(jī)、1臺(tái)變頻器、1個(gè)EM222、8個(gè)電磁開關(guān)、4個(gè)光電傳感器和1個(gè)霍爾傳感器。

3.1 系統(tǒng)的I/O點(diǎn)分配

由硬件結(jié)構(gòu)圖可知,系統(tǒng)需要5個(gè)輸入點(diǎn)和14個(gè)輸出點(diǎn).CPU222PLC有8個(gè)輸入點(diǎn)和6個(gè)輸出點(diǎn),因此需要增加一個(gè)擴(kuò)展模塊,選用8點(diǎn)輸出的數(shù)字量擴(kuò)展模塊EM222.輸入點(diǎn)是I0.0-I0.7;輸出點(diǎn)是Q0.0-Q0.5和Q1.0-Q1.7,分配情況見下表1和表2：

表1 輸入端子分配表

表2 輸出端子分配表

3.2 控制器

系統(tǒng)的關(guān)鍵的設(shè)備部分是PLC。PLC是以單片機(jī)為核心專門用于工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化控制的電腦器件，具有極高的可靠性和穩(wěn)定性。本系統(tǒng)選用西門子公司的S7-200系列CPU222PLC作為控制的核心，利用CPU222的2路獨(dú)立的20KHz的高速脈沖輸出來(lái)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)。此高速脈沖信號(hào)不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，需通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將功率放大后才能起作用。5路數(shù)字量輸入分別與5個(gè)傳感器相連接，用來(lái)判斷步進(jìn)電機(jī)的位置、工件的位置、刀頭的位置。14路數(shù)字量輸出中，有6路用來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，8路用來(lái)控制電磁閥開關(guān)。

PLC本機(jī)有一個(gè)通訊口，為標(biāo)準(zhǔn)的RS-485借口，在PLC與上位機(jī)進(jìn)行通訊時(shí)需將RS-485接口轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口，可以采用四門子提供的隔離型PLC/PPI電纜進(jìn)行轉(zhuǎn)換。該電纜有撥碼開關(guān)可以進(jìn)行設(shè)置。在上位幾上將控制軟件編寫好后，通過(guò)此線下載程序并監(jiān)視程序的運(yùn)行情況。為了降低成本，在程序調(diào)試好以后就可以不必用上位機(jī)進(jìn)行操作和控制，而是用簡(jiǎn)單的操作面板即可。本系統(tǒng)選擇是DP210操作面板。

3.3 系統(tǒng)的外設(shè)

根據(jù)系統(tǒng)對(duì)刀具加工精度的高要求，選用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制加工程序。步進(jìn)電機(jī)可以精確到一個(gè)脈沖，在本系統(tǒng)中一個(gè)脈沖的精度是0.005mm。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī),從而控制刀頭的動(dòng)作,完成平頭。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收到PLC的信號(hào),包括CP步進(jìn)脈沖信號(hào),DIR方向信號(hào),FREE脫機(jī)信號(hào),經(jīng)過(guò)其內(nèi)部的功放電路和處理電路后輸出到后面連接的兩相步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)根據(jù)信號(hào)的編號(hào)來(lái)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作。電磁閥直接接受來(lái)自PLC的控制信號(hào)產(chǎn)生動(dòng)作。另外,PLC直接接受傳感器的信號(hào),通過(guò)內(nèi)部程序的運(yùn)算和邏輯判斷來(lái)決定輸出。

變頻器用來(lái)控制主軸三相電機(jī)的轉(zhuǎn)速。本系統(tǒng)中變頻器采用基本參數(shù)運(yùn)行模式,由電位器來(lái)設(shè)定運(yùn)行頻率,變頻器的啟動(dòng)和停止由外部端子控制.根據(jù)不同工件的特點(diǎn),通過(guò)旋轉(zhuǎn)電位器來(lái)改變主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速,外部端子的信號(hào)由PLC的第12路數(shù)字量輸出控制。

4、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件包括人機(jī)交互界面DP210程序和系統(tǒng)的主控程序。DP210程序完成操作人員同PLC之間的對(duì)話，主要是各個(gè)操作畫面之間的相互轉(zhuǎn)換和每個(gè)操作畫面當(dāng)中各個(gè)按鍵動(dòng)作所對(duì)應(yīng)的PLC程序的控制位。程序畫面要與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工作流程相適應(yīng)，越是前面的畫面就越是使用率高的畫面。

PLC程序接收到DP210的操作信號(hào)后，按照工作要求進(jìn)行整個(gè)刀頭工作的控制。主程序的流程圖如圖3所示。PLC主控程序中的核心控制是對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，啟動(dòng)1#步進(jìn)電機(jī)的程序如圖4，控制電機(jī)方向的程序如圖5。

圖3 主程序流程圖

圖4 1#步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)程序

圖5 1#步進(jìn)電機(jī)方向選擇程序（2#步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制類似1#步進(jìn)電動(dòng)機(jī)）

5、結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，加工產(chǎn)品范圍廣，加工精度高，已經(jīng)成功應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中。該平頭機(jī)目前已經(jīng)在某材料生產(chǎn)廠進(jìn)行規(guī)則幾何體的平頭。自從開始生產(chǎn)以來(lái)，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量顯著提高，廢品率明顯下降。同時(shí)，極大的減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，還可以用于其它器件的平頭。此外，我們?cè)O(shè)計(jì)一定范圍內(nèi)的刀頭尺寸以適應(yīng)不同工件尺寸的平頭動(dòng)作，且具有可更換功能。