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基於 PLC 的數控鑽（zuàn）床控製器設計研究

2021-5-21 來源：江蘇省（shěng）宿城中等專業學校作者（zhě）：梁猛猛

摘要:數控機床是采用數字（zì）控製技術對機床切削運動進行控製的一種機電一體化產（chǎn）品，隨著軟件技術和信息技術的發展，其在（zài）工業領域（yù）中得到了廣泛的應（yīng）用。在數控機床中（zhōng），鑽床主要用（yòng）於對鑽（zuàn）孔、擴孔、鉸孔等多種形式的孔加工，其加工精度和效率直接影響加工零件的質量。

關鍵（jiàn）詞: 數控鑽（zuàn）床；PLC 技術；控製器設計

一、引言

數控鑽床是一種孔加工機床，主要用於進行鑽孔、擴孔、鉸孔等多種（zhǒng）形式的零件加工。近年來（lái），隨著信息技術和數控技術的發展，促進（jìn）了數控切削技術的同步發展。目前，在數控加工過程中，主要采用麻花鑽頭對零件進行深孔加工（gōng），與其他類型切削刀具相比（bǐ），麻花（huā）鑽頭在鑽孔時，為避免損壞鑽（zuàn）頭，需頻繁地進退刀，且其主切削刃過長，不利於分屑和斷屑，這（zhè）些問（wèn）題的存在使得麻花鑽頭磨（mó）損較（jiào）快，嚴重時容易影響零件加工表麵和鑽（zuàn）孔效率。因此，為了確保深加工的效率和精度，基於 PLC 的數控鑽（zuàn）床控製器應運而生，其操作方便、靈活，使用範圍廣。

二、基（jī）於 PLC 的數控鑽床控製器設計方（fāng）案

（一）數控鑽床結（jié）構及工（gōng）作原理

鑽床結構簡（jiǎn）單，加（jiā）工精（jīng）度較低，主要用鑽（zuàn）頭（tóu）在工件上加工孔。在各（gè）類鑽床中，搖臂鑽床比較適用於單件（jiàn）或批量生產中帶有多孔大（dà）型工件的孔加工，主要由工作台主軸（zhóu）、搖（yáo）臂、底座、內/外立柱等部分組成。主軸箱安裝在搖臂水平導軌上跟隨搖臂繞立柱進（jìn）行移動（dòng），搖臂可沿著立柱進行上下移動，以便可以加工不同高度的零件。在進（jìn）行鑽削加工時，工件不動，刀具移動，鑽頭（tóu）邊旋轉、邊切削、邊縱向進給。

（二）數（shù）控（kòng）鑽床運動（dòng）方（fāng）式

1.主（zhǔ）軸運動：鑽床鑽削時，主軸運（yùn）動包括（kuò）主軸旋轉運（yùn）動（主軸帶（dài）著（zhe）鑽頭的旋轉（zhuǎn）運動）和主（zhǔ）軸縱（zòng）向進給（主軸（zhóu）的垂直運動）。2.輔助運動：主軸箱沿搖臂進行水平（píng）運動（dòng），搖臂（bì）沿外（wài）立柱進行垂直移動。

（三）方案設計

本文研究的數（shù）控（kòng）鑽床主要用於鋼製環模深孔加工（gōng），其加工後成品（pǐn）如圖（tú） 1 所示。

圖 1 加工後的工件

PLC 是一類以順序控製為主、回路調節為輔的通用型自動控製裝置，克服了傳統繼電器可靠性差、體積龐大（dà）等弊端，目前成為數控機床中實現（xiàn）順序控（kòng）製的首要選擇。基於此，本文用 PLC設（shè）計數控鑽床控製（zhì）器（qì）係統，如圖 2 所示。

圖 2 基於 PLC 的數控鑽床控製係統

控製係統由以下幾個部分（fèn）組成（chéng）：PC 客戶端（duān）（上位機（jī））、控製麵（miàn）板、主控製器（PLC）、深孔鑽削控製模塊（kuài）伺服電機、環模轉動定位控製模塊（kuài）、液晶顯示模塊、數碼管顯示模塊（kuài）和報警電路（lù）等。其中，PC 客戶端與 PLC 通過 RS232 進行通信，控製係統輸入端主要用（yòng）於接收控製麵板信號，輸出端信號對伺服電機和步進電機進行驅動。環模轉動定位控製模塊（kuài）實（shí）現對深孔（kǒng）的定位，深孔鑽（zuàn）削控製模塊伺服（fú）電機模塊實現對深孔的（de）鑽削。液晶顯示模塊用於顯示鑽孔速度、鑽孔次數及鑽孔（kǒng）深度，可對鑽床加工（gōng）中的鑽孔（kǒng）參數進

行實（shí）時監控、顯示及修改。

三、基於 PLC 的數控鑽床控製器係統硬件設計

數控鑽床控製器係統的核心部件是 PLC，由於它易於編程、具有良好的自我診斷功能和高可靠性，被廣泛地運用於各種工業控製中。PLC 中的各個部件包（bāo）括 CPU、I/0 和（hé）電源等均采用模塊設計，同時，具有豐富的 I/0 接（jiē）口，用戶（hù）可以自己的實際需求自（zì）行組合。在本（běn）設計中，利（lì）用 PLC 主要實現的功能有開關量的邏輯控製（定時控製、順序邏輯控製與組合邏輯（jí）控製）、鑽床運動控製、鑽床現場數據采集（jí）處（chù）理、位置控製（zhì）（通過（guò）控製步進電機和伺服電機來控製鑽機的鑽削位置、方向、速度）。

（一）主（zhǔ）控製器設計

控製器是數控鑽床的重（chóng）要組成部分，而 PLC 是控製（zhì）器的核心部（bù）件（jiàn）。在眾多 51 係列單片（piàn）機中，STC 係（xì）列單片機對開發設備要求很（hěn）低且開發時間較短，十（shí）分符合工業領域實際生產環境。

（二）直流開關量輸入模塊設計

PLC 采用（yòng）嚴格的生（shēng）產規模與先進的抗幹擾技術，因此，高可靠性（xìng）是基（jī）於 PLC 數控設備的關鍵（jiàn）性能。在通常情況下，不需要采取任何（hé）措施就能直接在工業環境中使用。雖然如此，但是當生產環境過於惡劣時，安裝不當或受到強烈電磁（cí）幹擾，就會導致運算錯誤或程序錯誤，從而產生錯誤輸入和輸出，在這種（zhǒng）情況下就難以（yǐ）保障 PLC 正常運行（háng）。因此，在本設計中（zhōng），為了提高基（jī）於（yú） PLC 的數控鑽床控（kòng）製（zhì）器的抗幹擾性和可靠性，在輸入電路中利用光電耦合器來增加抗幹擾設計，如圖 3 所示。

圖 3 直流開關量輸入模塊（kuài）原理圖

其中，TLP521-1 為光電耦合器，其作用（yòng）主（zhǔ）要是（shì）輸入（rù）信號與單片機隔開，同時（shí）對其信號（hào）進（jìn）行（háng）濾波（bō）處理；在電路輸入端，將操作麵板上的開關信號轉化（huà）為（wéi）單片機正常運行（háng）的低電壓信號，當開關閉合時，TLP521-1 的發光二極管發光（guāng）、三極管導（dǎo）通，發送動作信號到相應繼電器，並向輸出端發送控製信號。

（三）繼電器輸出模塊設計

繼電器輸出模塊（kuài）原（yuán）理圖如圖 4 所示，主要作用是將單片機內部的低壓信號（hào）轉換成能為可以驅動外部輸出設備的開關信（xìn）號。

圖 4 繼電器輸出模塊原（yuán）理圖

在圖中，繼電器既是開關（guān）器件，也是隔離器件。其中，光電耦合器 TLP521-1 的作用是將輸出信號與單片機隔開，實現 PLC 內外部信號的（de）隔（gé）離。當開關量 OUT0 的輸出（chū）為低電平時，TLP521-1使得晶體管 Q1 導通，繼而使得繼電器 K1 的線圈通電，繼電器得電吸合，發光二極管 D2 發光。反（fǎn）之，當開關量 OUT0 輸出高電平時，TLP521-1 使繼（jì）電器（qì） K1 觸點斷（duàn）開，發光二極管 D2 熄滅。D4的作用主要是用於保護晶體管 Q1。當繼電器斷開時，由於繼電器線圈電感的存在，因而儲存有電能，這時（shí）晶體管 Q1 截止，在線圈兩（liǎng）端形成感應電壓，晶體管容易被擊穿而遭到損壞，加入二極管可鉗製住集電極電壓，保護晶體管。繼電器輸出模塊的負載回路無須分辨極性，既能驅（qū）動直流負載，也可以驅動交流負載，其（qí）承受過流與過壓能力較（jiào）強。外界電源及（jí）負載電源的大小由繼電器

觸點容量所決定。

（四）串口通信（xìn）模塊設計

串口通信模塊在 PLC 係統中占據了非常重要的作用。如圖 5所示，在本設計中（zhōng），采用 RS232 串口（kǒu）通信實現對 PLC 的編程（chéng）及數據的交換功能。

圖 5 串口（kǒu）通信模塊原理圖（tú）

其（qí）中，MAX232 是專門用於 RS232 標準串口中，進行單電源電平轉換的（de）芯片。這是（shì）由（yóu）於單片機串口為 TTL 電平，而 PC 串口為 RS232 電平，在進行串口通信時，必須進行電平（píng）的轉換。MAX232 芯片使用+5V 單電源供（gòng）電。在（zài）串口通信過程中，利用單片機 STC12C5A60S2 的（de）引腳 RXD 和 TXD 分別實現對信號的發送與接收。

四、基於 PLC 的（de）數控（kòng）鑽（zuàn）床控製器（qì）係統軟件設計

在本（běn）設計中采用（yòng） Keil u Vision4 單片機開發工（gōng）具和 C 語（yǔ）言進行程序編寫，主要實現以下三個模塊（kuài）功能：控製麵板功能、定位控製功能及深孔鑽削功能。在係統初始化（huà）後，選擇（zé）鑽孔（kǒng）類型，輸入鑽孔深度、擴孔深度、鑽孔速度、鑽孔個數（shù）等（děng）參（cān）數，步進電機帶動環模進行轉動、伺服電機控製鑽頭上下運動，在整個過程（chéng）中，利用數碼管顯（xiǎn）示鑽孔深（shēn）度、鑽孔次數、鑽孔速度等參數變（biàn）化。

在電路焊接結束後，利用萬用表對係統精確度進行驗證。將（jiāng）單片機 STC12C5A60S2 的引腳（jiǎo） CLK 連接到示（shì）波（bō）器上（shàng），當示波器上顯（xiǎn）示正弦波波形時，則說明單片機處於正常工作狀態。將引腳PWM 連接到示波器（qì）上，檢測結果顯示，單（dān）片機輸出 PWM 波形正（zhèng）

常，達到預期設計效果。

五、結束語

本文基（jī）於 PLC 設計（jì）了一種能夠對鑽孔參數進行實（shí）時監控、顯示（shì）及（jí）修改的（de）數（shù）控鑽床控製器，通過改變控製參數，可以實現對鑽孔的定位和切削，克服了（le）傳統人工鑽孔的弊端，使得鑽（zuàn）孔定位和切削更加精確，且（qiě）加工（gōng）精（jīng）度（dù）更高，加工成本較低，比較適合環

境比較惡劣的加工環境，具有廣泛（fàn）的（de）應用（yòng）前（qián）景。

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