1 引言

　　隨著數(shù)控產(chǎn)品需求量的急劇增加，對(duì)數(shù)控鉆削技術(shù)的要求也隨之增長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)深鉆削主要靠麻花鉆來(lái)深加工，鉆孔時(shí)為了避免損壞鉆頭，必須頻繁迸退刀，而間斷次數(shù)過(guò)少和過(guò)多，都會(huì)對(duì)鉆頭造成損壞，且惡劣的工業(yè)環(huán)境對(duì)控制器的抗于擾性提出了更高的要求。故要求控制器能對(duì)深加工中的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)修改進(jìn)而控制鉆頭的進(jìn)退刀，這樣才能確保深加工的穩(wěn)定性、安全性，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率，在此背景下，基于PLC的數(shù)控鉆床控制器應(yīng)運(yùn)而生。然而由于PLC的CPU模塊被發(fā)達(dá)國(guó)家壟斷，使得PLC的價(jià)格昂貴，故采用高性能的單片作為PLC的CPU模塊已然迫在眉睫。

2 方案設(shè)計(jì)

　　數(shù)控鉆床控鑭器的控制對(duì)象是鉆床，被加工的零件是鋼質(zhì)的環(huán)模，數(shù)控鉆床控制器的功能可概括為：控制鉆床在鋼質(zhì)的環(huán)模上鉆出許多排列有序的通孔，如圖1所示。具體要完成的如下功能。

圖1加工后的環(huán)模

　　2.1 主軸的運(yùn)動(dòng)

　　主軸的運(yùn)動(dòng)分為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和縱向進(jìn)給，鉆頭是固定在主軸上的，由高速電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)模的切削；主軸的縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸縱向進(jìn)給，進(jìn)而帶動(dòng)鉆頭上下運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)、退刀。

　　2.2 轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)

　　轉(zhuǎn)軸只進(jìn)行軸向運(yùn)動(dòng)，環(huán)模是固定在轉(zhuǎn)軸上的，是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)環(huán)模作軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而確定鉆孔的位置。

　　2.3 參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示及修改

　　根據(jù)鍵盤(pán)輸入的參數(shù)(鉆孔的深度、速度、個(gè)數(shù))控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)環(huán)模轉(zhuǎn)動(dòng)、伺服電機(jī)控制鉆頭上下運(yùn)動(dòng)。用數(shù)碼管顯示出轉(zhuǎn)動(dòng)速度、鉆孔速度、打孔次數(shù)及鉆孔深度，進(jìn)而達(dá)到對(duì)深孔加工中鉆頭的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及參數(shù)修改。根據(jù)以上要求得出控制器的系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2系統(tǒng)框圖

　　系統(tǒng)包括主控制器、環(huán)模轉(zhuǎn)動(dòng)定位控制、深孔鉆削控制、控制面板、PC客戶端。主控制器采用PLC，輸入端主要是接收來(lái)自控制面板的信號(hào)并進(jìn)行響應(yīng)，以及通過(guò)RS232實(shí)現(xiàn)與PC端的通信；輸出端主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)的控制。控制面板主要是由功能鍵、矩陣式鍵盤(pán)組成，主要完成控制器的啟動(dòng)、暫停、急停以及鉆孔深度、速度、個(gè)數(shù)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)修改等控制功能。環(huán)模轉(zhuǎn)動(dòng)定位控制模塊和深孔鉆削模塊主要是接收來(lái)自PLC的信號(hào)進(jìn)而分別控制步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)從而分別實(shí)現(xiàn)環(huán)模的軸向運(yùn)動(dòng)(對(duì)孔的定位)、鉆頭上下運(yùn)動(dòng)(對(duì)孔的鉆削)。

3 硬件設(shè)計(jì)

　　數(shù)控鉆床控制器的核心部件是可編程邏輯控制器，pLC是一種為工業(yè)控制特別設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī)。由于它易于編程，且在惡劣的生產(chǎn)環(huán)境下仍可正常工作，故被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制中。目前，我國(guó)的PI￡市場(chǎng)絕大部分被國(guó)外產(chǎn)品所占領(lǐng)，主要是因?yàn)镻LC的CPU模塊被發(fā)達(dá)國(guó)家壟斷，而CPU又是PLC正常工作的核心，故國(guó)外的PLC價(jià)格昂貴，然而對(duì)于機(jī)械加工廠來(lái)說(shuō)成本相當(dāng)重要。隨著微控制器技術(shù)的發(fā)展，高性能單片機(jī)功能日益強(qiáng)大、成本不斷降低，提出用高性能的單片機(jī)作為CPU模塊來(lái)制作PLC。

　　3.1 主控制器模塊

　　數(shù)控鉆床的核心是控制器，而控制器的核心部件是能夠完成檢測(cè)和控制功能的PLC，宏晶公司的ST(3單片機(jī)，既有以上功能又能產(chǎn)生PWM波。故采用宏晶公司的SIC系列單片機(jī)中功能強(qiáng)、功耗低、抗干擾性強(qiáng)的8位微處理器STC12C5A60S2增強(qiáng)型單片機(jī)作為PLC的控制核心如圖3所示，其頻率范圍：0～35 MHz，44個(gè)通用I／O口，4個(gè)16位定時(shí)器、2路PWM輸出口和8路高速10位A／D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)速25萬(wàn)次／秒主要針對(duì)電機(jī)控制，且特別適合環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中。

圖3主控電路

　　3.2 開(kāi)關(guān)量輸入電路

　　PLC為了提高系統(tǒng)的抗干擾性，在輸入電路中有各種抗干擾設(shè)計(jì)，用光電耦合器將輸入電源和系統(tǒng)電源隔開(kāi)并進(jìn)行濾波處理。本文選用直流開(kāi)關(guān)量輸入方式，如圖4所示，輸入電路接收操作面板上的開(kāi)關(guān)信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換單片機(jī)可接受的低電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)PLC內(nèi)外信號(hào)的電氣隔離進(jìn)而發(fā)送動(dòng)作信號(hào)到相應(yīng)的繼電器向輸出端發(fā)送控制信號(hào)。輸入信號(hào)與單片機(jī)間用光電耦合器TL521 1隔開(kāi)，用戶電路接在X0與24V間，開(kāi)關(guān)閉合，光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光，三極管導(dǎo)通，IN0為高電平，D1發(fā)光該輸入點(diǎn)導(dǎo)通。

圖4開(kāi)關(guān)量輸入電路

　　3.3 繼電器輸出電路

　　本文的輸出電路為繼電器輸出方式，如圖5所示，它既能驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載又能驅(qū)動(dòng)直流負(fù)載，使用的電壓范圍較寬，承受過(guò)壓和過(guò)流能力較強(qiáng)。輸出電路用于將單片機(jī)內(nèi)部的低電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)外部輸出設(shè)備的開(kāi)關(guān)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)PLC內(nèi)外信號(hào)的隔離。輸出信號(hào)與單片機(jī)問(wèn)用光電耦合器TLP521—1隔開(kāi)，采用常開(kāi)型繼電器，當(dāng)OUTO輸出低電平時(shí)。光電耦合器使Q1導(dǎo)通繼電器K1得電吸合D2發(fā)光；當(dāng)OUT0輸出高電平時(shí)光電耦合器使Q1截止K1釋放D2熄滅。

圖5繼電器輸出電路

　　3.4 串口通信電路

　　PLC作為一種工業(yè)化的控制器，通過(guò)串行通信接到PC端，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC的編程和數(shù)據(jù)的交換，故它必須有串行通信功能。由于PC串口為RS232電平，而單片機(jī)串口為TTL電平，故必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，而MAX232芯片能實(shí)現(xiàn)這兩種電平間的轉(zhuǎn)換，故本文采用MAX232構(gòu)成的電平轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，通過(guò)STCl2C5A60S2單片機(jī)的TXD和RXD引腳完成串行通信的接收和發(fā)送。串行通信電路，如圖6所示。

圖6口通信電路

　　3.5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接口電路

　　步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的輸入控制信號(hào)有8個(gè)，分別是輸入端子電源正極(COM1～COM4)、方向脈沖發(fā)出方式選擇(MC1)、指令脈沖觸發(fā)方式選擇(MC2)、指令脈沖信號(hào)(MC3)、方向脈沖信號(hào)(MC4)。輸入端的+5V由開(kāi)關(guān)電源提供其余4個(gè)控制信號(hào)由PLC的繼電器輸出控制，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接口電路，如圖7所示。

圖7步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接口電路

　　3.6 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接口電路

　　伺服驅(qū)動(dòng)器的輸入控制信號(hào)有4個(gè)，分別是輸入端子的電源正極(COM+)、伺服使能(s0N)、指令脈沖輸入(PULS+、PULS一)、指令脈沖SIGN輸入(SIGN+、SIGN-)。因?yàn)樗欧妱?dòng)機(jī)的脈沖量數(shù)據(jù)需采用差分驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行傳送，然而單片機(jī)只能輸出單脈沖量信號(hào)，故要將單片機(jī)輸出的單脈沖量信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分脈沖信號(hào)，本文采用MC3487芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。MC3487滿足標(biāo)準(zhǔn)RS422四線驅(qū)動(dòng)器的特性，其工作電壓5 V，輸出電流48 mA，三態(tài)輸出與TTL兼容，高輸入阻抗，有加電、斷電保護(hù)功能，交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的接口電路，如圖8所示。

圖8伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接口電路

4 軟件設(shè)計(jì)

　　一個(gè)完整的PLC系統(tǒng)程序流程圖，如圖9所示，本文的軟件設(shè)計(jì)主要是模仿PLC的循環(huán)工作。輸入采樣程序和輸出程序?qū)θ魏螒?yīng)用程序都是一樣的，這部分屬于系統(tǒng)程序，但梯形圖處理處理程序需要針對(duì)不同的應(yīng)用編寫(xiě)不同的程序。

圖9系統(tǒng)程序流程

　　本系統(tǒng)軟件采用Keil uVision4集成開(kāi)發(fā)環(huán)境編寫(xiě)和調(diào)試C語(yǔ)言代碼。主要實(shí)現(xiàn)的功能有：環(huán)模轉(zhuǎn)動(dòng)定位控制部分、深孔鉆削控制部分、控制面板部分3大部分。系統(tǒng)流程為：首先是系統(tǒng)初始化、其次是選擇鉆孔類型，即：選擇數(shù)控鉆床控制面板上的定位、擴(kuò)孔、鉆孔，然后對(duì)應(yīng)的分別輸入擴(kuò)孔深度和鉆孔深度，再用數(shù)字鍵輸入相應(yīng)的參數(shù)(鉆孔的深度、鉆孔的速度、一圈鉆孔的個(gè)數(shù))進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)環(huán)模轉(zhuǎn)動(dòng)和控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)控制鉆頭上下運(yùn)動(dòng)。且用數(shù)碼管顯示出轉(zhuǎn)動(dòng)速度、鉆孔速度、打孔次數(shù)、鉆孔深度；進(jìn)而達(dá)到對(duì)深孔加工中的鉆頭扭矩進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及參數(shù)修改，具體的系統(tǒng)軟件總體流程圖，如圖10所示。

圖10系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)流程

5 系統(tǒng)測(cè)試

　　在系統(tǒng)焊接完后調(diào)試之前，必須用萬(wàn)用表對(duì)其進(jìn)行精確度驗(yàn)證，否則測(cè)試結(jié)果不可信。將單片機(jī)CLK腳接入示波器TDS2012上，觀察是否有正弦波，若有正弦波顯示則證明晶振起振，單片機(jī)開(kāi)始工作。

　　步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)是否能夠轉(zhuǎn)動(dòng)，主要測(cè)試單片機(jī)能否產(chǎn)生準(zhǔn)確的PWM波形，將編好的產(chǎn)生PWM波形的C語(yǔ)言代碼通過(guò)STC系列單片機(jī)的程序燒錄軟件STC—ISP燒錄到單片機(jī)中，將PWM輸出引腳接入示波器，觀察是否有PWM波形產(chǎn)生，圖11和圖12為所測(cè)試到的PWM波形。

　　測(cè)試結(jié)果表明：?jiǎn)纹瑱C(jī)輸出的PWM波形正常，通過(guò)示波器測(cè)出來(lái)PWM波形雖有一定紋波，但已達(dá)到預(yù)期的效果，因此數(shù)據(jù)正常。

6 結(jié)論

　　本文介紹了一種通用性強(qiáng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)鉆頭進(jìn)而實(shí)時(shí)修改控制參數(shù)控制伺服電機(jī)帶動(dòng)鉆頭縱向進(jìn)給，調(diào)整鉆頭的進(jìn)退刀量，同時(shí)控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)工件轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)孔的定位、且具有數(shù)據(jù)修改、顯示等功能；由于采用PLC作為主控制器，故適合于環(huán)境比較惡劣的工業(yè)生產(chǎn)中，該控制器克服了人工鉆孔的缺點(diǎn)，使得定位、鉆孔全部實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，且由于采用高性能的單片機(jī)作為PLC的CPU模塊，故使得成本大大降低，提高了效益，具有很好的應(yīng)用前景。