數控鉆孔機控制系統(tǒng)設計

1、<p>　　金 華 職 業(yè) 技 術 學 院</p><p>　　JINHUA COLLEGE OF VOCATION AND TECHNOLOGY</p><p><b>　　畢業(yè)教學環(huán)節(jié)成果</b></p><p><b>　?。?014屆）</b></p><p>　　題

2、 目 數控鉆孔機控制系統(tǒng)設計 </p><p>　　學 院 信息工程學院 </p><p>　　專 業(yè) 電氣自動化技術 </p><p>　　班 級 自動化112 </p><p>　　學 號 2011340103

3、50201 </p><p>　　姓 名 </p><p>　　指導教師 </p><p>　　2013年 12月25日</p><p>　　金華職業(yè)技術學院畢業(yè)教學成果</p><p&g

4、t;<b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要1</b></p><p><b>　　英文摘要1</b></p><p><b>　　引言2</b></p><p>　　1 數控鉆孔機系統(tǒng)簡介3</p><

5、;p><b>　　2硬件設計4</b></p><p>　　2.1 控制系統(tǒng)結構及工作原理4</p><p>　　2.2 主要器件選型5</p><p>　　2.3 PLC外圍接線圖6</p><p>　　2.4 控制系統(tǒng)設計原理圖8</p><p>　　2.5 I/O口分配表8

6、</p><p>　　3觸摸屏界面設計9</p><p><b>　　4軟件設計12</b></p><p>　　4.1 程序流程圖12</p><p>　　4.2 控制程序的設計12</p><p>　　4.3 外圍軟件信號17</p><p><b>

7、;　　5參數整定17</b></p><p>　　5.1伺服電機定位參數設置17</p><p>　　5.2伺服系統(tǒng)內部參數設定19</p><p><b>　　6安裝與調試20</b></p><p>　　6.1 控制系統(tǒng)接線圖20</p><p>　　6.2模擬調試22

8、</p><p>　　6.3 聯(lián)機調試 22</p><p><b>　　結論與謝辭22</b></p><p><b>　　參考文獻23</b></p><p><b>　　附件124</b></p><p><b>　　元器件清單

9、24</b></p><p><b>　　附件225</b></p><p><b>　　源程序25</b></p><p><b>　　附件334</b></p><p><b>　　實物圖34</b></p><

10、p>　　數控鉆孔機控制系統(tǒng)設計</p><p>　　信息工程學院電氣自動化技術 </p><p>　　摘要:本文介紹了基于三菱Q系列PLC的數控鉆孔機控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)選用昆侖通態(tài)TPC7062KS嵌入版的觸摸屏來實現(xiàn)人機交互，文中不但給出了數控鉆孔機的基本架構，而且還簡單分析了鉆孔機控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng)結構及工作原理與傳感器的使用，以及介紹了PLC I/O口及鉆孔機控制系統(tǒng)的布局圖

11、與接線圖。</p><p>　　關鍵字 PLC 鉆孔機 伺服控制</p><p>　　Control system design of NC drilling machine</p><p>　　(Information Engineering College of electrical automation technology Jin Ming)</

12、p><p>　　Abstract:This paper introduces the control system based on CNC drilling machine Mitsubishi Q series PLC, this system adopts KunLun on state of TPC7062KS embedded touch screen to realize man-machine inte

13、raction, this paper not only gives the basic architecture of the CNC drilling machine, but also a simple analysis of the use of drilling machine control system to control the system structure and the work principle and s

14、ensor, and introduced PLCI/O port and drilling machine control system layout a</p><p>　　Keywords: PLC drilling machine servo control</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　數字控

15、制（Numerical Control）是數字化信號對機床運動及其加工過程進行控制的一種方法，簡稱數控(NC)。最初的數字控制系統(tǒng)是由數字邏輯電路構成的，因而稱之為硬件數控系統(tǒng)。隨著計算機技術的發(fā)展，硬件數控系統(tǒng)被逐漸淘汰，取而代之的是計算機數控系統(tǒng)(ComputerNumerical Control,簡稱CNC)。數控技術的廣泛使用，給機械制造業(yè)的生產方式、產品結構、產業(yè)結構帶來了深刻的變化。數控技術是國防現(xiàn)代化的重要技術，是關系到國

16、家戰(zhàn)略地位和體現(xiàn)國家綜合國力的重要基礎性技術。到目前為止，數控系統(tǒng)的發(fā)展主要經歷了以下幾個階段：第一代：1952年，美國帕森公司和麻省理工學院合作研制了世界上第一臺數控機床，它是一臺三坐標數控銑床，用于加工直升飛機葉片輪廓檢查用樣板。第二代：1959年，美國耐.杜列克公司發(fā)明了帶有自動換刀裝置的數控機床，廣泛采用了晶體管和印刷電路板技術，稱為“加工中心”。第三代：電子行業(yè)出現(xiàn)了小規(guī)模集成電路。由于體積小、功率低，使數控系統(tǒng)的可靠性進一步

17、提高。這幾代數控系統(tǒng)都是利用邏輯電路來實現(xiàn)控制功能，因此被稱之為“硬件“數控。起功能簡單、靈活性差、設計周期長，因</p><p>　　1.數控鉆孔機系統(tǒng)簡介</p><p>　　其主要結構和功能是利用X軸的正轉反轉、Y軸的正轉反轉和Z軸的正轉反轉來實現(xiàn)定位鉆孔，數控鉆孔機系統(tǒng)結構如圖1和圖2所示，整個系統(tǒng)由控制系統(tǒng)和X—Y—Z三軸構成。操作人員按下操作界面上的外圍啟動，伺服放大器得電，這

18、時數控鉆孔機就可以運行了，系統(tǒng)運行關閉時，先按系統(tǒng)急停按鈕，通過按軸手動控制框里的手動按鈕各軸可實現(xiàn)點動運行，通過按數控定位按鈕就可實現(xiàn)自動運行。鉆孔電機用50W的伺服電機，由伺服放大器驅動，Y軸用的是100W的伺服電機，X軸用的是50W的伺服電機，都是用伺服放大器驅動。電機的啟?？梢酝ㄟ^觸摸屏操作界面里的按鈕進行控制。</p><p>　　圖1 數控鉆孔機前視圖結構示意圖</p><p>

19、;　　圖2 數控鉆孔機俯視視圖結構示意圖</p><p><b>　　2.硬件設計</b></p><p>　　2.1控制系統(tǒng)結構及工作原理</p><p>　　基于實際的數控鉆孔機系統(tǒng)結構，確定數控鉆孔機系統(tǒng)結構。它由數控鉆孔機系統(tǒng)、數控鉆孔機控制系統(tǒng)、接口處理模塊三部分組成。PLC輸出的控制信號經接口處理模塊控制鉆孔機的執(zhí)行機構，控制各個軸

20、的運行。三軸鉆孔機運行過程中，位置傳感器的檢測信號經接口處理模塊輸到PLC控制系統(tǒng)，實現(xiàn)閉環(huán)控制。鉆孔機控制平臺由PLC、QD75P2定位模塊、觸摸屏、伺服放大器四部分組成如圖3。觸摸屏設自動鉆孔操作按鈕，觸摸屏輸入操作命令傳送到PLC，PLC通過檢測軸的狀態(tài)信息在相應的I/O口輸出控制信號。</p><p><b>　　圖3數控控制系統(tǒng)</b></p><p>&l

21、t;b>　　2.2主要器件選型</b></p><p>　　2.2.1可編程控制器的選型</p><p>　　PLC的廠家和品種很多，比如說美國的A-B公司、通用電氣公司；德國的西門子；法國的TE；日本的、歐姆龍、富士、松下；韓國的LG等。在本次控制系統(tǒng)中，采用三菱公司的Q模式CPU產品，這款產品有如下特點：</p><p>　?。?）可以進行多點

22、輸入輸出控制，所有CPU均支持可訪問安裝在基板上的輸入輸出模塊的實際輸入輸出點數4096點(X／Y0～FFF)。另外，最多可支持可用于CC—Link數據鏈接；</p><p>　?。?）實現(xiàn)了運算的高速處理(例：LD指令時)通過與GX WORK2的高速通信，提高調試效率, QCPU系列三菱PLC采用RS一232端口，最高能適應11 5．2 kbps的高速通信的需要，縮短了程序寫入、讀出和監(jiān)視等的時間，提高了調試時

23、的通信時間效率。</p><p>　　（3）體積小，節(jié)省空間。QCPU和Q系列輸入輸出模塊、智能功能模塊實現(xiàn)了小型化，體積比起AnS系列產品更加小。其安裝空間小，占據面積約為AnS系列產品的60％。</p><p>　?。?）只要增加模塊，即能夠擴展為大規(guī)模系統(tǒng)。QCPU最多可增擴7級，最大可構建安裝64塊輸入輸出模塊的系統(tǒng)。</p><p>　?。?）可以進行外部

24、輸入輸出的強制ON／OFF。即使QCPU處于運行狀態(tài)，與程序的執(zhí)行狀態(tài)無關，可以通過操作GX Developer來進行外部輸入輸出的強制ON／OFF。不必將QCPU設置在停止狀態(tài)，只要對輸出實施強制ON／OFF，就可以進行配線和動作試驗。</p><p>　　2.2.2觸摸屏的選型</p><p>　　觸摸屏選用昆侖通態(tài)TPC7062KS型，它是以嵌入式低功耗CPU為核心（ARM CPU，

25、主頻400MHz）的高性能嵌入式一體化觸摸屏。該產品設計采用了7英寸高亮度TFT液晶顯示屏（分辨率800×480），四線電阻式觸摸屏（分辨率1024×1024）。靈敏度較高，而且具有防水防塵。它可通過RS232、RS485或USB與PLC接口。它的色彩比較豐富，由65535色7寸屏幕顯示，可以增強視覺效果。觸摸屏有豐富資源庫，在設計時可以在庫里面選擇適合元件。還具有特點：1實現(xiàn)了顯示，運算，通訊全方位的高速化；2高亮

26、度（400cd/ m2）顯示，提供免受外部光線干擾的完美圖像 ；3 分辨率800×480，65535色TFT液晶顯示 ；4顯示尺寸：7英寸；5可視角度：左右70度，上下70/50度 。6 內置64MB標準內存。</p><p>　　2.2.3伺服電機的選擇</p><p>　　如今的伺服電機市場有很多的伺服電機，現(xiàn)在國內最常用的伺服電機有日系的三菱、松下、安川、三洋等，歐系的有西

27、門子、施耐德、倫次，美國的科爾摩根等，國產的有臺灣的臺達、東元、大陸的廣數、和利時等。而在我們這里選用的伺服電機是三菱的HF-KP053型，這款伺服電機有以下的特點：</p><p>　?。?）體積小，重量輕，大轉矩輸出。</p><p>　?。?）低慣性，良好的控制性能。</p><p>　?。?）寬廣的調速范圍，轉矩脈動小。</p><p&g

28、t;　　2.2.4伺服放大器的選擇</p><p>　　在伺服放大器的選擇上主要考慮伺服電機的功率，在系統(tǒng)設備中，伺服電機的功率為50W，所以選擇三菱公司的MR-J3-10A型的伺服放大器。此放大器的功率為100W，且設置方便，滿足控制要求。</p><p>　　2.3 PLC外圍接線圖</p><p>　　如圖4左邊的plc輸入信號，右邊的是plc輸出信號。<

29、;/p><p>　　圖4 PLC外圍接線圖</p><p>　　2.4 控制系統(tǒng)設計原理圖</p><p>　　PLC通過讀取觸摸屏里個按鈕的狀態(tài)來執(zhí)行相應的程序，QD75模塊通過讀取PLC里正在執(zhí)行的程序，把相應的參數存入QD75模塊里，伺服放大器再通過讀取QD75模塊里的相關的參數來驅動各自對應的伺服電機運行。伺服電機也會把脈沖數反饋給伺服放大器，伺服放大器又會把收

30、到的數據反饋給QD75模塊,判斷是否運行到位了，QD75模塊也會把收到的數據反饋回PLC里，PLC也會把其收到的數據反饋回觸摸屏。</p><p>　　圖5控制系統(tǒng)設計原理圖</p><p>　　2.5 I/O口分配表</p><p>　　數控鉆孔機共有三軸，分別為X、Y、Z軸，其中還有幾個限位。</p><p>　　表1數控鉆孔機控制系統(tǒng)I

31、/O口分配表</p><p>　　3. 觸摸屏界面設計</p><p>　　在設計數控鉆孔機控制系統(tǒng)中，我們用觸摸屏代替按鈕或開關來操作，觸摸屏控制器的主要作用是從觸摸點檢測裝置上接收觸摸信息，并將它轉換成觸點坐標，再送給CPU，它同時能接收CPU發(fā)來的命令并加以執(zhí)行。</p><p>　　在這個系統(tǒng)中，工作時的觸摸屏界面包括主界面、操作界面、監(jiān)控界面以及手動界面。

32、如下圖所示圖6為主界面、圖7為操作界面、圖8為自動定位鉆孔界面、圖9為觸摸跟蹤界面</p><p><b>　　圖6主界面</b></p><p>　　在操作界面里，你按下外圍啟動就會給伺服放大器通上電。當你按下原點回歸按鈕，X和Y軸就會慢慢的自動回歸到原點。你按下軸手動控制框里的X軸右移、X軸左移、Y軸前移、Y軸后移、Z軸上升、Z軸下降按鈕，X、Y、Z軸就會執(zhí)行相應

33、的點動運行。當正在執(zhí)行自動鉆孔運行時，你可以按下急停按鈕，該機構就會暫停運行，但你再按一下再啟動按鈕，該機構就又會在之前停下來的狀態(tài)繼續(xù)運行下去。</p><p><b>　　圖7操作界面</b></p><p>　　在自動定位打孔界面里，但你按下數控定位按鈕，相應的實物機構就會根據籃圈內這幾個點的尺寸放大相應的比例，在實物平臺上找到相應的點，并進行鉆孔運行。但你按下

34、，急停按鈕，該機構就會停止運行。</p><p>　　圖8 自動定位打孔界面</p><p>　　在觸摸跟蹤界面里，當你在沒有閉合選擇開關時，你點擊藍色圓圈里的任何一個地方，實物就會走到相應的地方進行鉆孔，這就是定點鉆孔運行模式。但選擇開關打到畫直線這段時，你觸摸藍色圓圈里，一直按住，然后平移，實物就會跟著你的手指移動而移動，這就是觸摸跟蹤模式。</p><p>&

35、lt;b>　　圖9 觸摸跟蹤界面</b></p><p>　　觸摸屏操作步驟如下：</p><p>　?。?）在系統(tǒng)調試之前先將觸摸屏程序導入到觸摸屏中，以實現(xiàn)控制系統(tǒng)的調節(jié)；進入主界面后，觸摸界面任何一處進入操作界面；</p><p>　?。?）進入操作頁面后，點擊外圍啟動，給伺服放大器上電；</p><p>　?。?）在

36、軸手動控制的框里，分別按下X軸左移、X軸右移、Y軸前移、Y軸后移、Z軸上升和Z軸下降按鈕，可實現(xiàn)點動運行，可檢查各軸運行是否正常，如一切正常就可以按一下自動打孔界面的切換按鈕，切換到自動鉆孔界面；</p><p>　　（4）在自動打孔界面里，按下數控定位按鈕，可實現(xiàn)自動定位鉆孔運行。你也可以按下觸摸跟蹤界面按鈕，進入觸摸跟蹤界面；</p><p>　?。?）進入觸摸跟蹤界面后，用手觸碰藍圈

37、里的任一點，該機構就會走到相應的地方進行鉆孔，但你大選擇開關打到畫直線這段時，你用手觸碰藍圈里任一地方，并按著，然后慢慢的移動，該機構就會跟著你的手移動。</p><p><b>　　4軟件設計</b></p><p><b>　　4.1程序流程圖</b></p><p>　　圖10 PLC程序流程圖</p>

38、<p>　　4.2 控制程序設計</p><p><b>　　4.2.1定點鉆孔</b></p><p>　　當觸摸屏藍色圓圈內內有東西按下，PLC就會接收到按下位置的X軸坐標和Y軸的</p><p>　　坐標并把其分別寄存到D12和D14里，在把D12里的數據和D14里的數據分別減去400</p><p>

39、　　和240的計算結果分別在寄存到D24和D18里，再通過把D24里的數據和D18里的數據</p><p>　　分別乘以9000和-9000進行比例放大，然后再把D24經過比例放大后的數據寄存到D20，把D18經過比例放大后的數據寄存到D22。然后再把D20和D22里的數據分別寫入X軸的定位地址和Y軸的定位地址，然后伺服放大器就根據定位地址驅動伺服電機運動，到達指定的位子，并驅動Z軸的伺服電機來完成定位鉆孔。&l

40、t;/p><p>　　圖11 定點鉆孔段程序上</p><p>　　圖12 定點鉆孔段程序下</p><p>　　4.2.2自動定位鉆孔程序</p><p>　　當按下數控定位的按鈕后伺服放大器就讀取第一個QDQ75模塊里的編號為8的軸1定位數據，并根據它的定位地址0.0um，也就是原點，來驅動伺服電機回到原點，執(zhí)行完編號8的定位數據后，因為軸1

41、定位數據里編號8的定位數據的運行模式為連續(xù)，所以繼續(xù)執(zhí)行編號為9的定位數據，根據其的定位地址，驅動伺服電機到達指定位置，等到達指定位置后，因為編號9里的M代碼為1，然后根據PLC的程序，讀取第二個QD75模塊的軸1定位參數里的編號1定位數據，驅動Z軸動作。與此同時，因為第一個QD75模塊里的編號為9的定位數據的運行模式為連續(xù)，所以自動執(zhí)行編號為10的定位數據，并根據器里面的數據驅動相應的伺服電機運行，就這樣一條條執(zhí)行下去，知道執(zhí)行到定位

42、地址都為0.0um時停止。</p><p>　　圖13 自動定位鉆孔程序</p><p>　　圖14 自動定位鉆孔程序</p><p><b>　　4.2.3觸摸跟蹤</b></p><p>　　該程序是利用實時從觸摸屏里讀出的坐標來驅動各軸的運動的。</p><p>　　圖15 觸摸跟蹤程序&l

43、t;/p><p>　　4.2.4回歸原點程序：</p><p>　　利用X，Y各軸上的近位開關信號定位圓心坐標。具體運行步驟是 從原點（O，0）X,Y軸同時補差運動到（13,13）點過程中觸發(fā)近為開關信號。再X軸向外退出4毫米。</p><p>　　圖16 原點回歸程序</p><p><b>　　4.3外圍軟件信號</b>

44、</p><p>　　外圍啟動程序，當外圍啟動x0閉合，Y10就會接通，同時伺服放大器就會通上電。</p><p>　　圖17 外圍啟動程序</p><p><b>　　5 參數整定</b></p><p>　　5.1伺服電機定位參數設置</p><p>　　伺服電機定位參數的設置包括控制方式、補

45、差對象、定位地址、指令速度、停留時</p><p><b>　　間等。</b></p><p><b>　　表2 軸1定位數據</b></p><p><b>　　表3 軸2定位參數</b></p><p>　　5.2 伺服電機內部參數設置</p><p&g

46、t;　　伺服系統(tǒng)內部參數的設置每轉的脈沖數、每轉的移動量、單位倍率、脈沖輸出模式、回歸原點的方式選擇利用近點狗信號回歸。如圖所示</p><p>　　表4 伺服電機內部參數</p><p><b>　　表5 原點回歸參數</b></p><p><b>　　6.安裝與調試</b></p><p>　

47、　6.1控制系統(tǒng)接線圖</p><p><b>　　圖18 系統(tǒng)接線圖</b></p><p><b>　　6.2 模擬調試</b></p><p><b>　　模擬調試的步驟：</b></p><p>　　(1)在斷電情況下，用編程電纜（PC/PPI電纜）將計算機和PLC主機

48、相連；</p><p>　　(2)接通計算機和PLC的工作電源；</p><p>　　(3)在計算機上運行GX WORK2軟件，并進行正確的通信參數設置；</p><p>　　(4)將伺服運動控制系統(tǒng)程序導入至PLC中，并將相關的定位數據同時寫入PLC中；</p><p>　　(5)建立計算機和PLC主機的在線聯(lián)系；</p>&

49、lt;p>　　(6)用戶程序監(jiān)視運行。當PLC主機上的工作方式開關在RUN位置時，執(zhí)行GX WORK2主菜單中的PLC—RUN命令，則PLC在聯(lián)機狀態(tài)下運行，再打開調試菜單，選中程序狀態(tài)，這時閉合觸電和通電線圈內部顏色變藍（呈陰影狀態(tài)）。</p><p><b>　　6.3 聯(lián)機調試</b></p><p>　　將系統(tǒng)所有設備接通電源后，PLC在計算機的監(jiān)視下運

50、行用戶程序。觀察系統(tǒng)運行動態(tài)是否設計要求相符合。</p><p>　?。?）數控鉆孔機初始化操作，當執(zhí)行鉆孔前應先執(zhí)行初始化操作，初始化操作包括X、Y、Z軸的原點歸位、定位參數的整定和電氣規(guī)格的檢查。在向PLC導入程序前首先是對系統(tǒng)的電氣檢查，在確認系統(tǒng)接線無誤后再將程序和QD75定位模塊的參數一起寫入到PLC中，原點歸位采用近點狗信號，原點歸位順序依次是X軸、Y軸。 </p><

51、p>　　(2) 在操作界面里，可以分別按一下軸手動控制框里的X軸右移、X軸左移、Y軸前移、Y軸后移、Z軸上升和Z軸下降按鈕，讓X、Y、Z軸執(zhí)行點動運行，檢驗其是否運行正常，若無錯誤可進入自動打孔界面進行自動定位打孔運行。</p><p>　　(3) 系統(tǒng)的急停和再啟動：系統(tǒng)在鉆孔過程中如果出現(xiàn)報錯后應當立即停止本次鉆孔任務并在觸摸屏上給出報警提示，同時報警燈以1HZ閃爍提示操作人員處理；如果在打印過程中需要

52、人為急停系統(tǒng)可以按下急停鍵中斷鉆孔任務，在需要繼續(xù)鉆孔的時候可以按下再啟動按鈕取消急停命令繼續(xù)鉆孔。</p><p><b>　　結論與謝辭</b></p><p>　　一個好的畢業(yè)設計，都要經過無數次的磨練才能出來，一個好的畢業(yè)設計，僅僅靠自己一個人，一下子真的有點難完成，在做設計的時候多多少少都會遇到困難，有時候你想破腦袋都想不到的解決不了的問題，卻有可能因為某位

53、同學的一句小小的提示就能很好的能把這問題給解決了。這次的設計讓我體會到了團隊精神和互助精神的必要。</p><p>　　在此畢業(yè)論文即將完事之際，我感謝 指導老師對我的關心和指導，在設計期間，馬老師也會指導我該從那方面入手，該怎么完成等等。當我遇到問題的時候，馬老師也會一一的為我指導解決問題的方法。另外我也感謝所有幫助過我完成畢業(yè)設計的同學和老師們。</p><p>　　最后，我

54、還要向多年來一直默默無聞支持我的家人表示由衷的感謝，沒有他們的支持，便沒有我今天的成就。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 宋伯生，PLC編程實用指南[M]，機械工業(yè)出版社，2006年。 </p><p>　　[2] 郭純生，可編程序控制器編程實戰(zhàn)與提高[M]，電子工業(yè)出版社，2006年。 </

55、p><p>　　[3] 杭州直方大數控技術有限公司，F(xiàn)P∑用戶手冊，松下電工株式會社，2004年。</p><p>　　[4] 朱弈丹，方怡冰，PLC在數控定位系統(tǒng)系統(tǒng)中的應用[J]，新型儀器與智能儀表，2000年。</p><p>　　[5] 謝紅亮，PLC控制系統(tǒng)的設計步驟[J]，職業(yè)教育研究，2004年。 </p><p>　　[6] 鄧

56、星鐘,周祖德等， 機電傳動控制[M]，華中工學院出版社，1996年。 </p><p>　　[7] 王英章，高精高速微孔PCB數控鉆床關鍵技術的研究與應用[D]，重慶大學，2004年。 </p><p>　　[8] [三菱自動化官方網站]。</p><p>　　[9] 三菱可編程控制器培訓教材 QD75定位模塊。</p><p>　　[10]

57、 三菱電機通用交流伺服放大器技術資料集。</p><p><b>　　附件1</b></p><p><b>　　表6 元器件清單</b></p><p><b>　　附件2</b></p><p><b>　　源程序</b></p><