基于PLC 的零件自動鉆孔控制系統設計

劉良森

（廣州市技師學院，廣州 510080）

在傳統的鉆孔設備中，由于機械結構和控制系統的限制，往往無法完成高精度的鉆孔操作，而且鉆頭旋轉速度無法調節，不能適應不同材料的打孔加工，導致加工過程效率低，產品質量不穩定。為了解決這些問題，本研究以三菱FX3U-32MT 系列可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）為系統的控制器，通過控制步進電機提升鉆孔的精度和穩定性，并引入變頻器作為鉆頭電機的控制裝置，靈活調節鉆頭旋轉速度[1]。此外，本研究采用觸摸屏作為人機界面，方便操作者設定鉆孔深度、鉆頭旋轉速度和鉆頭下降速度等參數。

1 控制方案設計

1.1 設備結構

零件鉆孔設備結構示意如圖1 所示，主要由X軸運行結構、Z軸運行結構和鉆頭運行結構組合而成。其中：X軸運行結構主要由X軸步進電機連接絲桿，從而控制工作臺上的夾具橫向運行確定鉆孔加工位置，并由3 個光電傳感器感應工作臺的橫向運行位置；Z軸運行結構主要由Z軸步進電機連接絲杠，從而控制鉆臺縱向運行確定鉆孔深度，并由一個光電傳感器感應鉆臺原點位置；鉆頭運行結構主要由一臺三相異步電動機連接鉆頭。

圖1 零件自動鉆孔設備結構

1.2 控制功能

零件自動鉆孔控制系統分為自動控制和手動控制兩種控制模式。自動控制模式用于控制設備啟動、停機和復位，手動控制模式用于控制各機構運行。自動模式下，鉆孔設備可進行自動上料、鉆孔、下料，并往復循環。按下停機按鈕，鉆孔設備完成當前加工的零件后自動停止，各運動機構自動回至原點。手動模式下，可通過操作觸摸屏按鈕控制X軸工作臺左右運行、Z軸鉆臺上下運行、鉆頭電機旋轉和停止、夾具松開和夾緊。當發生緊急情況時，按下外部急停按鈕，系統各運動機構應立即停止。為實現以上控制功能，設計控制系統，如圖2 所示。

圖2 零件自動鉆孔控制系統框圖

圖3 PLC 與變頻器RS-485 通信接線圖

1.3 硬件選型

本系統控制器選擇三菱FX3U-32MT，該款PLC支持多種通信接口，而且具有多路高速脈沖輸出，可同時控制X軸和Z軸兩個方向的步進電機運行[2]。步進系統由步進驅動器和步進電機兩部分組成。其中，步進驅動器選用YKD2305M 型驅動器，步進電機選用YK42HB47-02A 型步進電機。變頻器選用型號為三菱FR-E840，支持RS-485 通信接口，可與PLC 進行數據交互。本系統選用三菱GS2110 觸摸屏作為人機交互設備，支持多點觸摸技術，觸摸屏反應靈敏，且具備多種常用的通信接口[3]。

1.4 PLC 控制器I/O 地址分配與系統接線

三 菱FX3U-32MT PLC 的輸入/ 輸出（Input/Output，I/O）地址分配，如表1 所示，本控制系統硬件根據表1 進行接線。

表1 PLC 控制器I/O 地址分配表

另外，變頻器與鉆頭三相異步電動機的接線采用三角形接法，三菱FX3U-32MT PLC 與三菱GS2110觸摸屏通信可直接使用通信電纜連接，而三菱FX3U-32MT PLC 與三菱FR-E840 變頻器的RS-485 通信接線則采用雙絞線連接。雙絞線一端使用RJ-45 連接器連接變頻器的可插入單元（Pluggable Unit，PU）插口，另一端引線直接連接PLC 的RS-485 通信模塊[4-5]。

2 控制程序設計

本次控制系統的PLC 控制程序需要使用梯形圖和順序流程圖兩種編程語言，建立梯形圖程序塊和順序流程圖程序塊。

2.1 梯形圖程序塊

復位功能程序先使用原點回歸指令[DSZR X0 X0 Y1 Y3]使Z軸鉆臺回到原點，再使用DSZR 指令使X軸工作臺回歸原點，并松開夾具。同時，X軸工作臺左、右限位傳感器地址需分別對應M8344 和M8343，以保證X軸工作臺運動至極限位置時可反向運動尋找原點。正常停機功能程序使用停機按鈕軟元件并聯產量監視數據與產量設置數據，并進行比較，輸出停機標志位。停機標志位在順序功能流程圖中用于循環選擇跳轉起始步的條件。啟動加工功能程序使用觸摸屏啟動按鈕對應軟元件置位順序流程圖中的初始步狀態繼電器即可，加工流程控制主要由順序流程圖程序塊控制[6]。急停功能程序使用急停按鈕群復位順序流程圖中的所有狀態繼電器，同時停止鉆頭電機。變頻器通信程序使用IVDR 和IVCK 兩條指令，其中IVDR用于變頻器復位、網絡模式設置、變頻器啟動和變頻器參數寫入，IVCK 用于變頻器電流監視、電壓監視、頻率監視[7-8]。對于步進電機控制程序，2 臺步進電機運動控制均使用DDRVA 指令，使用順序流程圖程序塊中的步進電機啟動標志位觸發指令運行，運動距離與運動速度可由順序流程圖程序塊寫入。同時，使用步進電機當前脈沖數D8340、D8350 與設置脈沖數比較。脈沖數相等時，輸出步進電機停止標注位，用于順序流程圖中的跳轉條件，使步進電機停止[9]。

2.2 順序流程圖程序塊

順序流程圖程序塊主要由手動控制模式程序和自動控制模式程序兩個選擇分支組成，且兩個模式做程序互鎖處理。手動控制模式程序使用PLSY 指令，手動控制2 臺步進電機運動，通過置位和復位Y4 手動控制夾具的松開與加緊[10]。自動控制控制模式程序根據鉆孔加工流程逐步編寫，并在自動控制模式程序的尾端選擇分支，判斷是否有正常停機標志位，從而選擇跳轉狀態繼電器。

3 觸摸屏頁面設計

本控制系統的觸摸屏頁面設計包括自動控制畫面、手動控制畫面和參數監控畫面，3 個畫面均設有畫面跳轉按鈕，用于畫面切換。自動控制畫面設有設備啟停、復位功能，手動控制畫面設有手動控制設備各部件功能，參數監控畫面設置有參數設置窗口和參數監視窗口，監控畫面如圖4 所示。

圖4 參數監控畫面

4 變頻器參數設置

本控制系統變頻器參數主要設置PU 端口的RS-485 通信參數，部分變頻器參數設置如表2 所示。其中，Pr118 通信速率、Pr119 PU 通信停止位長、Pr120 奇偶校驗選擇的參數設置都需要與GX Works2 編程軟件中的通信參數設置一致，而且需設置完成變頻器參數后斷電重啟變頻器，才可以運行RS-485 通信[11-12]。

表2 變頻器部分參數設置表

5 設計效果

將本設計應用于加工實踐，結果表明，通過技術創新和優化措施，鉆孔位置與深度得到精準控制，鉆頭旋轉速度的調節較為靈活，鉆孔加工參數設置便捷，顯著提高了鉆孔加工的精度、質量和效率，有效保障了產品質量的穩定性。

6 結語

文章研究有效解決了傳統鉆孔設備鉆孔精度不高、鉆頭旋轉速度無法調節的問題，提高了鉆孔加工的精度、質量和效率，為鉆孔設備的設計提供了參考和借鑒，同時為相關行業的生產加工帶來更高效、更穩定的解決方案。