数控钻孔机控制系统设计

庄旭斌

（自动化与电气工程学院指导教师：蒋惠忠）

摘要：数控钻孔机控制系统是用在孔加工机床上，以可编程序控制器为主控制器，控制钻头相对于工件的定位，由一个定位点向另一个定位点的控制系统。该系统由可编程序控制器、步进电机驱动器、步进电机、触摸屏等构成。PLC是专为工业环境设计的一种工业控制计算机，具有抗干扰能力强、可靠性极强、体积小、编程方便等特点。利用可编程序控制器脉冲输出指令控制步进电机的转速、方向和移动距离，从而实现精确定位。触摸屏可用来显示机器当前运行状态，保存配方数据，还可以设置运行参数。所设计的数控钻孔机控制系统的具有自动控制、手动控制、运行监控、参数设置等功能。

关键词：数控钻孔；可编程序控制器；步进电机；触摸屏；定位控制

Abstract：The control system of NC drilling machine which takes the PLC as the main controller is used in drilling machine. It controls the aiguille moving from one positioning to another positioning relative to the positioning of the workpiece. The system consists of PLC, stepper motor driver, stepper motor, HMI, and so on. PLC that designed for the industrial environment specifically is an industrial control computer. It has many advantages, for example, anti-interference capability, high reliability, small size and easy programming and so on. PLC used Pulse Output Function to control the stepper motor speed, direction and distance of movement, accordingly realizing the purpose of exact orientation. HMI can be used to indicate the system’s operating state, to preserv the Filing data, but also can be to set operating parameters. NC drilling machine control system which is designed has automatic control procedures, manual control, operational control, parameter setting, and other functions.

Keywords：NC Drilling；PLC；Stepper Motor；HMI；Position Control

1 绪论

1.1 数控技术的发展历史

数字控制（Numerical Control）是数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制的一种方法，简称数控(NC)。最初的数字控制系统是由数字逻辑电路构成的，因而称之为硬件数控系统。随着计算机技术的发展，硬件数控系统被逐渐淘汰，取而代之的是计算机数控系统(Computer

Numerical Control,简称CNC)。数控技术的广泛使用，给机械制造业的生产方式、产品结构、产业结构带来了深刻的变化。数控技术是国防现代化的重要技术，是关系到国家战略地位和体现国家综合国力的重要基础性技术[11]。

到目前为止，数控系统的发展主要经历了以下几个阶段：

第一代：1952年，美国帕森公司和麻省理工学院合作研制了世界上第一台数控机床，它是一台三坐标数控铣床，用于加工直升飞机叶片轮廓检查用样板。

第二代：1959年，美国耐.杜列克公司发明了带有自动换刀装置的数控机床，广泛采用了晶体管和印刷电路板技术，称为“加工中心”。

第三代：电子行业出现了小规模集成电路。由于体积小、功率低，使数控系统的可靠性进一步提高。

这几代数控系统都是利用逻辑电路来实现控制功能，因此被称之为“硬件“数控。起功能简单、灵活性差、设计周期长，因此限制着其进一步的发展与应用。

随着计算机技术的发展，小型计算机开始取代专用控制的硬件逻辑数控系统（NC），数控的许多功能由软件来实现。1970年，数控系统的发展进入了第四阶段，即计算机数控（CNC）阶段。

1974年，数控系统的发展进入了第五阶段，其特征是以微处理器为基础，另外采用超大规模集成电路、大容量磁泡存储器、可编程接口和遥控接口等，功能更为完备，基本上完成了标准型单机系统的开发。

数控系统的发展直到第五代以后，才从根本上解决了可靠性低、价格昂贵和应用不方便等关键性问题。

80年代初，便开始推广基于PC的开放式数控系统，但是直到90年代初才得以实现。也就是数控系统的第六代——基于PC的数控系统。世界上许多数控系统生产厂家利用PC机丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。其体系结构朝软性化、模块化的方向发展，辅助软件也发展很快，具有交互式对话编程、三维图形校验、实时多任务操作等，并向机床制造厂提供了开发手段，以AI（Artificial Intelligence,人工智能）方式纳入机床制造厂的丰富工艺经验，在产品上实现标准化系列化，可按用户需求来扩充、裁减，以满足不同用户层次的需求。1.2 PLC在数控系统中的应用

近年来，PLC在工业自动控制领域应用愈来愈广，它在控制性能、组机周期和硬件成本等方面所表现出的综合优势是其它工控产品难以比拟的。随着PLC技术的发展, 它在位置控制、过程

控制、数据处理等方面的应用也越来越多。在机床的实际设计和生产过程中，为了提高数控机床加工的精度，对其定位控制装置的选择就显得尤为重要。

在由PLC和触摸屏构成的数控系统中，PLC主要应用与顺序控制、运动控制和过程控制，它根据触摸屏里设置的参数控制步进电机运行，完成指定的动作[6]。在运动过程中，PLC根据不同的运动状态，计算出相应的参数，并通过触摸屏显示参数。PLC驱动步进电机实现点位控制，硬件电路设计简单、方便、快捷，且编程方便，只要熟悉PLC指令和工艺流程即可。PLC作为数控系统的主控制器起着非常重要的作用。

1.3 数控钻床的主要发展方向

（1）高速度、高精度

速度和精度是数控机床的两个重要指标，他直接关系到加工效率和产品质量[11]。但它们之间又相互制约，相互影响。数控机床向高速和高精度方向发展，要求数控系统有高速运算处理的能力，驱动系统和执行机构高速度地作出反应，在极短的行程内达到高速度和在高速度下保持高定位精度和加工精度。

随着超高速切削机理、超硬耐磨长寿命刀具材料，大功率高速电主轴、高加/减速度直线电机驱动进给部件以及高性能控制系统（含监控系统）和防护装置等一系列技术领域中关键技术的解决，开发和应用新一代高速数控机车已经成为可能。

（2）可靠性最大化

数控系统的可靠性一直是用户最关心的主要指标。国外数控装置的MTBF（Mean Time Between Failures:平均故障间隔时间）值已达6000小时以上，伺服系统的MTBF值达到30000小时以上，表现出非常高的可靠性。国外数控系统平均无故障时间在10000小时以上，国内自主开发的数控系统仅3000～5000小时；整机平均无故障工作时间国外达800小时以上，国内最好只有300小时。新一代的数控系统将采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，减少元器件的数量，从而提高可靠性。通过硬件功能软件化，以适应各种控制功能的要求，同时采用硬件生产批量，又便于组织生产和质量把关。同时通过自动运行诊断、在线诊断、离线诊断等多种诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断和报警。利用报警提示，及时排除故障；利用容错技术，对重要部件采用“冗余”设计，以实现故障自诊断；利用各种测试、监控技术，当生产超程、刀损、干扰、断电等各种意外时自动进行相应的保护。

（3）换刀机构自动化

自动换刀机构的性能是衡量数控机床软性化程度的一个重要标志。比如一块印制电路板上所加工的孔的个数很多，而且孔的直径不同，所以加工一块印制电路板往往需要进行数次换刀工作。每次换刀都需要进行刀具的检验和调整刀具的位置。如果采用的是人工换刀，熟练的工人至少五分钟的时间，而采用自动换刀装置，他可以在换刀的同时对刀具检验和调整，这个过程不超过十秒钟的时间。大大减少了换刀的辅助时间，从而缩短这个加工时间。并且配有多功能的自动换刀机构的数控机床可以在无人操作的情况下完成多种工序的加工，提高了机床的生产效率和自动化程度。

（4）具有通信功能

为了适应柔性制造系统和计算机集成系统的要求，数控系统应该具有远距离串行接口，甚至可以联网，实现数控机床之间的数据通信，也可以直接对多台数控机床进行控制。

（5）数控系统小型化

控制系统小型化能便于将机、电装置结合为一体。目前主要采用超大规模集成元件、多层印刷电路板，采用三维安装方法，使电子元器件得以高密度安装，较大规模缩小系统的占有空间。采用新型的彩色液晶薄型显示器替代传统的阴极射线管，将使数控操作系统进一步小型化。通过这些可以方便的将它安装在机床设备上，更便于对数控机床的操作使用。

2 数控钻孔机控制系统的硬件设计

2.1 系统的总体结构

数控钻孔机控制系统由可编程序控制器（PLC）、触摸屏、步进电机驱动器、步进电机、电源构成，如图2.1所示。可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计的，具有良好的可靠性，稳定性和实时性。X轴向脉冲当量取0.005mm，Y轴向脉冲当量取0.005mm，选用晶体管输出型的PLC。松下公司的FP∑体积小但功能强大，不仅拥有逻辑运算等基本功能，还拥有浮点运算、高速脉冲输出、通信等功能，能满足数控钻孔控制系统的要求。驱动部分一般采用交流伺服系统或步进电机系统，相对于步进电机系统，交流伺服系统具有控制精度高、低频特性好、过载能力强、响应迅速等优点，但价格太昂贵，对于控制要求不高的控制系统，步进电机已经能满足要求。触摸屏作为新型的人机交互界面，在工业控制领域得到大量的推广和应用。触摸屏与PLC连接后，技术人员可以通过界面改变PLC中的数据，触摸屏还能以多种形式显示PLC中的数据变化。因此触摸屏可以直观的显示系统的运行状态和可能发生的电气故障。

图2.1 控制系统原理图

数控钻孔机系统结构如图2.2所示，整个系统由控制系统和X—Y平台构成。操作人员按下操作台上的总电源按钮系统得电，按下系统运行按钮控制系统得电，数控钻孔机运行，系统运行关闭时，先按系统停止按钮，再关闭总电源。通过改变自动/手动开关的位置，钻孔机可运行于自动状态和手动状态。钻孔电机用500W的两相交流电机，由变频器驱动，电机的启停和调速可以通过操作台上的变频器单元控制，水泵启停按钮用于控制水泵启动和停止。水泵用于钻头冷却。

0 1

升降

图2.2 系统结构图

X—Y平台是定位控制中使用最普遍的平台，它由步进电机，丝杠，钻孔机和操作台组成[9]。机器通过X轴，Y轴步进电机驱动各自的的丝杠，将钻孔机按要求移动到某一点。X轴和Y轴上各有三个接近开关，分别是右限位开关、左限位开关、原点复位开关，用于移动范围限制和原点

复位。由Z轴步进电机驱动钻孔电机上下移动。

图2.3 X —Y 平台俯视图

2.2 数控钻孔机主控电路设计

电源进线

X 轴驱动

控制系统

Y 轴驱动

L21354电机

电机

Z 轴驱动

机

图2.4 数控钻孔机主控电路

图2.5是数控钻孔机的主控电路图。单相交流电经断路器QK 给电源模块BU1和BU2供电。断路器的型号是DZ47LE-32，DZ47LE-32型剩余电流动作断路器适用于交流50/60Hz ，额定电压至

400V，额定电流至32A电路中，作剩余电流保护用。当有人触电或漏电电流超过规定值时，剩余电流动作断路器在极短的时间内自动切断电源，保障人身安全和防止设备因发生泄露电流造成的事故。BU1是开关电源，输入220V的交流电压，输出24V的直流电压，额定电流为10A，开关电源给PLC、Z轴步进电机驱动器和触摸屏供电。BU2电源模块将工频电压降压后整流输出64V的直流电压，如图2.6所示。BU2电源模块给步进电机驱动器供电。

图2.5 BU2电源模块原理图

PLC通过输入输出接口电路将脉冲信号传输给步进电机驱动器，控制步进电机的移动距离和移动方向。

2.3 PLC系统配置的方法

PLC系统配置也就是PLC控制系统的硬件系统构成。一般讲，由PLC构成控制系统，如果不考虑传感器、执行机构等，就是若干模块或箱体及有关附件。而箱体和模块有各有起型号与规格，根据工艺要求，选那些，怎么选，各选多少，怎么组成系统，就是系统配置[1]。

系统配置是对问题的综合，与对问题分析不同，同样的题目，其答案可能是很多的。所以系统配置的一个工作就是从多个答案中优选一个方案。

系统配置要遵守一些原则，要用科学的方法，按步骤进行。

（1）系统配置的原则

1）完整性原则：一般讲，可把PLC和被控制对象看成一个PLC控制系统。而PLC的自身又是这个大系统中的一个子系统。。按系统论的观点看，要使系统发挥应有的作用，必须使其完整。

2）可靠性原则：可靠性考虑的是配置的系统能否可靠工作，从4个方面考虑：一是PLC自身产品质量；二是供货方的技术服务情况；三是重要情况下的可靠性要求；四是是否冗余配置。

3）发展性原则：高科技发展迅速，PLC更新换代快，因此在系统配置时要留有发展的余地，尽可能用新型号。

4）继承性原则：就是尽可能考虑曾经用过的PLC的历史及其情况，作新的系统配置时尽可

能选用已经使用过的厂家的产品，甚至已使用过的机型。这样过去宝贵的经验起到作用，而且还可使用已有的工具。

5）经济性原则：经济是一切活动的基础。进行系统配置当然要考虑经济。经济上是否合算，应作为是否采用PLC，要用什么样的PLC的重要标准。

（2）系统配置的根据

主要有4点：所配置PLC的用途；所需要的I/O点数；使用环境；经济性考虑。

（3）系统配置的方法

系统配置可以用类比法、估算法、计算法及测试法，这四种互相兼容与补充，为了正确地进行系统配置，这几个方法可能都要用到。

（4）系统配置的步骤

一般讲系统配置步骤为

1）用类比法大致确定可选用的厂家产品及机型，确定时要遵循发展性及继承性原则。

2）用估算法估算I/O点数及模拟量路数，并确定要选用的机型。

3）用计算法依完整性原则计算所需的模块数。

4）再依可靠性原则，考虑必要的冷备份、热备份或冗余配置

5）计算各个方案的投入费用，并依经济性原则选其中最优者。

6）必要时再进一步作性能计算或实物测试。根据计算或测试结果，对原有的配置作修改。

按上述方法，数控钻孔机控制系统使用松下FP∑型PLC作为主控制器。

2.4 松下PLC的原理及性能

2.4.1 PLC的工作原理

PLC采用典型的计算机结构，主要由CPU，RAM，ROM，电源和专门设计的输入/输出接口电路等组成。CPU是可编程序控制器的核心部件，它由大规模或超大规模集成电路微处理器所构成[2]。

图2.6 PLC逻辑结构示意图

存储器ROM/RAM具有存储记忆功能，主要用于存储系统程序、应用程序、逻辑变量、和其它一些信息。输入/输出电路是PLC与控制设备联系的交通要道。PLC逻辑结构如图2.7。

PLC基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。PLC要考虑信息入出的可靠性、实时性，以及信息的实际应用。特别要考虑怎么适应于工业环境，如便于安装，便于维修及抗干扰等问题。以下分3个方面介绍PLC的工作原理[1]。

（1）PLC实现控制的要点

入出信息变换及可靠物理实现，可以说是PLC实现控制的两个基本要点。

入出信息变换通过运行存储于PLC内存中程序实现，PLC程序既有生产厂家开发的、内装在PLC中的系统程序（这程序又称监控程序，或操作系统），又有用户自己开发的后装入PLC中的应用（用户）程序。系统程序为用户程序提供编辑与运行的平台，同时，还进行必要的公共处理，如自检，I/O刷新，与外设、上位机或其它PLC通信等处理。用户程序由用户按照控制要求进行设计。有什么样的控制要求，就应有什么样的用户程序。

可靠物理实现主要靠输入及输出电路。PLC的I/O电路都是专门设计的。输入电路要对输入信号进行滤波，以及去掉高频干扰。而且与内部微处理器电路是电隔离的，通过光的耦合建立联系。输出电路与也是电隔离的，用光或磁的耦合建立联系。输出电路还要进行功率放大，从而足以带动一般的工业控制元件，如电磁阀、接触器等等。

输入电路时刻监视着输入点的状态（通，ON或断，OFF），并将此状态暂存于它的输入暂存器

中。每一个输入点都有一个与其对应的输入暂存器。把输入暂存器的信息读到PLC的内存中的过程，称为输入刷新。

图2.7 PLC的输入电路原理图

输出电路有输出锁存器。它也有两个状态，既高、低电位状态。只要其控制输入没有新的改变，原有状态即可锁存。同时它还有相应的物理电路，可把这个高、低电位的状态传送给输出点。每一个输出点都有一个与其对应的输出锁存器。通过PLC的I/O总线及运行系统程序，输出继电器的状态将映射给输出锁存器。这个映射的完成也称输出刷新。

图2.8 PLC的输出电路原理图

用户要编写的程序只是PLC输入有关的内存区到输出有关的内存区的变换。特别是怎样按输入的时序变换成输出时序。这是一个数据及逻辑处理问题。由于PLC有强大的指令系统，编写满足这个要求的程序是完全可能的。

输入电路输入刷新运行用户程序输出刷新输出电路

图2.9 PLC实现控制示意图

图2.9对PLC实现控制作了说明，其中框图代表信息存储的地点，箭头代表信息的流向及实

现信息流动的手段。这个图，既反映了PLC实现控制的两个基本要点，同时也反映了信息在PLC 中空间关系。

（2）PLC实现控制的过程

简单地说，PLC实现控制的过程一般是输入刷新→运行用户程序→输出刷新，再输入刷新→运行用户程序→输出刷新……，永不停止循环反复的进行着。总之PLC的基本工作原理可以概括为“循环扫描，串行工作”。每扫描一次为一个扫描周期。一个周期可分为自诊断阶段、通信请求阶段、输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段五个阶段。

图2.10所示的流程图反映的就是上述过程。它也反映了信息间的时间关系。

图2.10 PLC工作流程图

从讨论PLC的工作原理知PLC的输入与输出在物理是彼此隔离的，其间的联系主要不是靠物理过程，不是线路，而主要靠变换信息的程序实现。输入输出主要为软联系，而不是硬联系。它的工作基础是信息流而不是物流、能量流。信息不同于物质和能量，有自身的规律。信息具有便于处理、便于传递、便于存储，可反复重用，重用后自身还不消失等特点，这就决定了PLC的基本特点，归纳起来，PLC主要有如下4个特点。

（1）功能丰富具有以下基本功能：

1）逻辑处理功能；2）数据运算功能；3）准确定时功能；4）高速计数功能；5）中断处理功能；6）程序和数据存储功能；7）联网通信功能；8）自检测、自诊断功能。

（2）使用方便主要有以下5个方面：

1）配置方便；2）安装方便；3）编程方便；4）维修方便；5）改用方便

（3）工作可靠在硬件上对输入信号多作了滤波，而且输入输出电路与内部CPU是电隔离的。软件上，PLC的工作方式一般为扫描加中断，避免出现“冒险竞争”，还设置了“看门狗”监控程序，防止程序跑丢。

（4）经济可靠 PLC目前主要用于顺序控制、过程控制、运动控制、信息控制、远程控制。

2.4.2 松下PLC性能简介

松下公司生产的FP∑具有超小型的尺寸，长60mm，宽25mm,高90mm，运算速度快，每一步基本指令的扫描时间为0.04μs,功能强大，相当于一个中型PLC的功能[5]。有以下几个突出特点：（1）存储容量大，FP∑的编程容量为12KB，数据寄存器的容量为32KB。

（2）全方位的通信功能，通过工具接口（RS-232C），FP∑能够与触摸屏或电脑实现通信；选择带有双通道的RS-232C型通信卡，能够实现与两套外设连接。

图2.11 PLC与触摸屏连接

（3）高速计数器和脉冲输出功能

使用FP∑中内置高速计数器功能有以下三种方式：

1）高速计数器功能其功能是对来自传感器、编码器等外部的输入进行计数，其值达到目标值时将任意的输出置ON/OFF。如图2.12所示。

2.12高速计数器功能应用示意图

2）脉冲输出功能其功能是通过与市售的电动机驱动器进行组合使用，实现定位控制。利用专用指令可进行梯形控制/原点复位/JOG运行等。如图2.13所示。

图2.13脉冲输出功能应用示意图

3）PWM输出功能使用专用指令，可以实现任意占空比的脉冲输出。如图2.14所示。

图2.14 PWM输出功能应用示意图

4）模拟量控制

5）浮点数据处理功能

6）可扩展性

松下FPG-C32TH主控单元，有DC输入16点，NPN输出16点，当使用脉冲输出功能时I/O

分配如下表

2.1

表2.1

其余的I/O 点按一般使用。 2.5 PLC 的外部接线图

PLC 输入

图2.16 PLC 输入接线

PLC 输入接线如图2.16所示，系统需要13点输入，X0，，X2，X3，X4用于X 轴和Y 轴限位，