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?？粘痰臅r候的進(jìn)刀曲線如圖1所示，加工時的進(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

3、系統(tǒng)的硬件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求配置硬件如下：

可編程控制器：1個西門子公司的s7-200系列cpu222plc；

人機(jī)界面：1個dp210；

外設(shè)：2個步進(jìn)電動機(jī)、2個步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、2個三相電動機(jī)、1臺變頻器、1個em222、8個電磁開關(guān)、4個光電傳感器和1個霍爾傳感器。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.1系統(tǒng)的i/o點分配

由硬件結(jié)構(gòu)圖可知,系統(tǒng)需要5個輸入點和14個輸出點.cpu222plc有8個輸入點和6個輸出點,因此需要增加一個擴(kuò)展模塊,選用8點輸出的數(shù)字量擴(kuò)展模塊em222.輸入點是i0.0-i0.7;輸出點是q0.0-q0.5和q1.0-q1.7,分配情況見下表1和表2:

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)過程自動化控制的電腦器件，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路獨立的20khz的高速脈沖輸出來控制步進(jìn)電動機(jī)的運動。此高速脈沖信號不能直接驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)，需通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器將功率放大后才能起作用。5路數(shù)字量輸入分別與5個傳感器相連接，用來判斷步進(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路用來控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，8路用來控制電磁閥開關(guān)。

plc本機(jī)有一個通訊口，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，通過此線下載程序并監(jiān)視程序的運行情況。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)對刀具加工精度的高要求，選用步進(jìn)電機(jī)來控制加工程序。步進(jìn)電機(jī)可以精確到一個脈沖，在本系統(tǒng)中一個脈沖的精度是0.005mm。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器用于驅(qū)動步進(jìn)電機(jī),從而控制刀頭的動作,完成平頭。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器接收到plc的信號,包括cp步進(jìn)脈沖信號,dir方向信號,free脫機(jī)信號,經(jīng)過其內(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)信號的編號來產(chǎn)生相應(yīng)的動作。電磁閥直接接受來自plc的控制信號產(chǎn)生動作。另外,plc直接接受傳感器的信號,通過內(nèi)部程序的運算和邏輯判斷來決定輸出。

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

4、系統(tǒng)的軟件設(shè)計

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之間的對話，主要是各個操作畫面之間的相互轉(zhuǎn)換和每個操作畫面當(dāng)中各個按鍵動作所對應(yīng)的plc程序的控制位。程序畫面要與生產(chǎn)現(xiàn)場的工作流程相適應(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的操作信號后，按照工作要求進(jìn)行整個刀頭工作的控制。主程序的流程圖如圖4所示。plc主控程序中的核心控制是對步進(jìn)電機(jī)的控制，啟動1#步進(jìn)電機(jī)的程序如圖5，控制電機(jī)方向的程序如圖6。

5、結(jié)束語

本文所設(shè)計的系統(tǒng)操作簡單，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，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量顯著提高，廢品率明顯下降。同時，極大的減輕了操作人員的勞動強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，還可以用于其它器件的平頭。此外，我們設(shè)計一定范圍內(nèi)的刀頭尺寸以適應(yīng)不同工件尺寸的平頭動作，且具有可更換功能。