傳統(tǒng)的普通鉆床鉆孔的精度和效率受到工人的熟練程度、疲勞程度等人力因素影響較大，要想達(dá)到高精度和高效率就十分不容易。基于此問題，我們開發(fā)了數(shù)控鉆床，它可以按照輸入的進刀曲線連續(xù)工作，始終保持高精度和高效率。
2 控制要求
數(shù)控鉆床的控制要求為:（1）控制系統(tǒng)應(yīng)可調(diào)整鉆孔加工程序選擇;（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候的進刀曲線如圖1所示，加工的進刀曲線如圖2所示:（3）主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)可調(diào)節(jié)，且范圍應(yīng)寬廣。（4）加工精度高，加工深度誤差小于0.05mm。
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;
控制器:1個西門子公司的s7-200系列cpu222plc;
人機界面:一個dp210;
外設(shè):2個步進電機、2個步進電機驅(qū)動器、2個三相電機、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展模塊，選用有8點輸出的數(shù)字量擴展模塊em222。輸入點是i0.0～i0.7;輸出點是q0.0～q0.5和q1.0～q1.7。分配情況見表1和表2;
3.2 控制器
系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備是plc。plc是以單片機為核心，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作為控制核心，利用cpu222的2路獨立的20khz的高速脈沖輸出來控制步進電機的運動。此高速脈沖信號不能用來直接驅(qū)動步進電機，需通過步進電機驅(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，用來判斷鉆頭位置，步進電機位置，工件的位置。14路數(shù)字量輸出中，有6路用來控制步進電機驅(qū)動器，8路用來控制電磁閥開關(guān)。
plc本機有一個通信口，為標(biāo)準(zhǔn)rs-485接口，在plc與上位機進行通信時需將rs-485接口轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)rs-232接口，可以采用西門子提供的隔離型pc/ppi電纜進行轉(zhuǎn)換。該電纜有撥碼開關(guān)可以進行設(shè)置。在上位機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進行操作和控制，而是用簡單的操作面板即可，本系統(tǒng)選用的是dp210操作面板。
3.3 系統(tǒng)的外設(shè)
根據(jù)系統(tǒng)對鉆孔精度的高要求，選用步進電機來控制孔的加工。步進電機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。步進電機驅(qū)動器用于驅(qū)動步進電機，從而控制鉆頭的動作，完成鉆孔。步進電機驅(qū)動器接收plc的信號，包括cp步進脈沖信號，dir方向信號，free脫機信號，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電機。步進電機根據(jù)信號的變化來產(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)的軟件包括人機交互界面dp210程序和系統(tǒng)的主控程序plc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切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頻率高的畫面。
plc程序接收到dp210的操作信號后，按照工作要求進行整個鉆孔工作的控制。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電機的控制，啟動1#步進電機的程序如圖5，控制步進電機方向的程序如圖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)實踐當(dāng)中。該鉆床目前已經(jīng)在某表帶生產(chǎn)廠進行表帶鉆孔生產(chǎn)。自從開始生產(chǎn)以來，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，極大的減輕了工人的勞動強度，提高了生產(chǎn)效率。還可以用于其它精密器件的鉆孔，最小孔徑可達(dá)到0.5mm。
