1、 金 华 职 业 技 术 学 院 JINHUA COLLEGE OF VOCATION AND TECHNOLOGY 毕业教学环节成果 （ 2014 届） 题 目 数控钻孔机控制系统设计 学 院 信息工程学院 专 业 电气自动化技术 班 级 自动化 112 学 号 201134010350201 姓 名 指导教师 2013 年 12 月 25 日 金华职业技术学院毕业教学成果 目 录 摘要 . 1 英文摘要 . 1 引言 . 2 1 数控钻孔机 系统简介 . 3 2 硬件设计 . 4 2.1 控制系统结构及工作原理 . 4 2.2 主要器件选型 . 5 2.3 PLC 外围接线图 . 6 2.
2、4 控制系统设计原理图 . 8 2.5 I/O 口分配表 . 8 3 触摸屏界面设计 . 9 4 软件设计 . 12 4.1 程序流程图 . 12 4.2 控制程序的设计 . 12 4.3 外围软件信号 . 17 5 参数整定 . 17 5.1 伺服电机定位参数设置 . 17 5.2 伺服系统内部参数设定 . 19 6 安装与调试 . 20 6.1 控制系统接线图 . 20 6.2 模拟调试 . 22 6.3 联机调试 . 22 结论与谢辞 . 22 参考文献 . 23 附件 1 . 24 元器件清单 . 24 附件 2 . 25 源程序 . 25 附件 3 . 34 实物图 . 34 1 数
3、 控钻孔机控制系统设计 信息工程学院电气自动化技术 摘要 :本 文 介绍了 基于三菱 Q 系列 PLC 的数控 钻孔机控制系统，该系统选用 昆仑通态TPC7062KS 嵌入版的触摸屏来实现人机交互 ，文中不但给出了 数控钻孔机的基本架构，而且还简单分析了钻孔机控制系统的 控制系统结构及工作原理与传感器的使用，以及介绍了 PLC I/O 口及钻孔机控制系统的布局图与接线图。 关键字 PLC 钻孔机 伺服控制 Control system design of NC drilling machine (Information Engineering College of electrical aut
4、omation technology Jin Ming) 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 interaction, this paper not only gives the basic architecture of the CNC
5、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 sensor, and introduced PLCI/O port and drilling machine control system layout and wiring diagram. Keywords: PLC drilling machine servo control 2 引言 数字
6、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 (ComputerNumerical 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。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
7、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，
8、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
9、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。3 1.数控钻孔机系统简介 其主要结构和功能是利用 X 轴的正转反转、 Y 轴的正转反转和 Z 轴的正转反转来实现定位钻孔，数控钻孔机系统结构如图 1 和图 2 所示，整个系统由控制系统和 X Y Z三轴构成。操作人员按下操作界面上的外围启动，伺服放大器得电，这时数控钻孔 机就可以运行了，系统运行关闭时，先按系统急停按钮，通过按轴手动控制
10、框里的手动按钮各轴可实现点动运行，通过按数控定位按钮就可实现自动运行。钻孔电机用 50W 的伺服电机，由伺服放大器驱动， Y 轴用的是 100W 的伺服电机， X 轴用的是 50W 的伺服电机，都是用伺服放大器驱动。电机的启停可以通过触摸屏操作界面里的按钮进行控制。 图 1 数控钻孔机前视图结构示意图 4 图 2 数控钻孔机俯视视图结构示意图 2.硬件设计 2.1 控制系统结构及工作原理 基于实际的数控钻孔机系统 结构，确定数控钻孔机系统结构。它由数控钻孔机系统、数控钻孔机控制系统、接口处理模块三部分组成。 PLC 输出的 控制信号经接口处理模块控制钻孔机的执行机构，控制各个轴的运行。三轴钻孔
11、机运行过程中，位置传感器的检测信号经接口处理模块输到 PLC 控制系统，实现闭环控制 。 钻孔机控制平台由 PLC、QD75P2 定位模块、触摸屏、伺服放大器四部分组成 如图 3。触摸屏设自动钻孔操作按钮，触摸屏输入操作命令传送到 PLC， PLC 通过检测轴的状态信息在相应的 I/O 口输出控制信号。 5 图 3 数控控制系统 2.2 主要器件选型 2.2.1 可编 程控制器的选型 PLC的厂家和品种很多，比如说美国的 A-B公司、通用电气公司；德国的西门子；法国的 TE；日本的、欧姆龙、富士、松下；韩国的 LG等。在本次控制系统中，采用三菱公司的 Q模式 CPU产品，这款产品有如下特点：
12、（ 1）可以进行多点输入输出控制，所有 CPU均支持可访问安装在基板上的输入输出模块的实际输入输出点数 4096点 (X Y0 FFF)。另外，最多可支持可用于 CC Link数据链接； （ 2）实现了运算的高速处理 (例： LD指令时 )通过与 GX WORK2的高速通信，提高调试效率 , QCPU系列三菱 PLC采用 RS一 232端口，最高能适应 11 5 2 kbps的高速通信的需要，缩短了程序写入、读出和监视等的时间，提高了调试时的通信时间效率。 （ 3）体积小，节省空间。 QCPU和 Q系列输入输出模块、智能功能模块实现了小型化，体积比起 AnS系列产品更加小。其安装空间小，占据面
13、积约为 AnS系列产品的 60。 （ 4）只要增加模块，即能够扩展为大规模系统。 QCPU最多可增扩 7级，最大可构建安装 64块输入输出模块的系统。 （ 5）可以进行外部输入输出的强制 ON OFF。即使 QCPU处于运行状态，与程序的执行状态无关，可以通过 操作 GX Developer来进行外部输入输出的强制 ON OFF。不必将 QCPU设置在停止状态，只要对输出实施强制 ON OFF，就可以进行配线和动作试6 验。 2.2.2触摸屏的选型 触摸屏选用昆仑通态 TPC7062KS 型，它是以嵌入式低功耗 CPU 为核心（ ARM CPU，主频 400MHz）的高性能嵌入式一体化 触摸屏
14、 。该产品设计采用了 7 英寸高亮度 TFT 液晶显示屏（分辨率 800 480），四线电阻式触摸屏（分辨率 1024 1024）。灵敏度较高，而且具有防水防尘。它可通过 RS232、 RS485 或 USB 与 PLC 接口。它的色彩比较丰富，由 65535 色 7 寸屏幕显示，可以增强视觉效果。触摸屏有丰富资源库，在设计时可以在库里面选择适合元件。还具有特点： 1 实现了显示，运算，通讯全方位的高速化； 2 高亮度（ 400cd/ m2）显示，提供免受外部光线干扰的完美图像 ； 3 分辨率 800 480， 65535色 TFT 液晶显示 ； 4 显示尺寸： 7 英寸； 5 可视角度：左右
15、 70 度，上下 70/50 度 。 6 内置 64MB 标准内存。 2.2.3 伺服电机的 选择 如今的伺服电机市场有很多的伺服电机，现在国内最常用的伺服电机有日系的三菱、松下、安川、三洋等，欧系的有西门子、施耐德、伦次，美国的科尔摩根等，国产的有台湾的台达、东元、大陆的广数、和利时等。而在我们这里选用的伺服电机是三菱的 HF-KP053 型，这款伺服电机有以下的特点： （ 1）体积小，重量轻，大转矩输出。 （ 2）低惯性，良好的控制性能。 （ 3）宽广的调速范围，转矩脉动小。 2.2.4 伺服放大器的选择 在伺服放大器的选择上主要考虑伺服电机的功率，在系统设备中，伺服电机的功率为 50W，
16、所以选择三菱公司的 MR-J3-10A 型的伺服放大器。此放大器的功率为 100W，且设置方便，满足控制要求。 2.3 PLC 外围接线图 如图 4 左边的 plc 输入信号，右边的是 plc 输出信号。 7 图 4 PLC 外围接线图 2.4 控制系统设计原理图 PLC 通过读取触摸屏里个按钮的状态来执行相应的程序， QD75 模块通过读取 PLC 里正在执行的程序，把相应的参数存入 QD75 模块里，伺服放大器再通过读取 QD75 模块里的相关的参数来驱动各自对应的伺服电机运行。伺服电机也会把脉冲数反馈给伺服放大器，伺服放大器又会把收到的数据 反馈给 QD75 模块 ,判断是否运行到位了，
17、 QD75 模块也会把收到的数据反馈回 PLC 里， PLC 也会把其收到的数据反馈回触摸屏。 8 图 5 控制系统设计原理图 2.5 I/O 口分配表 数控钻孔机共有三轴，分别为 X、 Y、 Z 轴，其中还有几个限位。 表 1 数控钻孔机控制系统 I/O 口分配表 序 号 输入 输出 功能 元件 地址 功能 元件 地址 1 外围启动 SA1 X0 X/Y 轴准备就绪 Y20 2 再启动 SB2 X99 伺服放大器上电 Y10 3 原点回归 SB3 X5 Z 轴准备就绪 Y40 4 急停 SB4 X98 X 轴停止 Y24 5 故障复位 SB5 X112 Y 轴停止 Y25 6 X 轴右移 SB6 X90 Z 轴停止 Y44 7 X 轴左移 SB7 X91 停止信号灯 Y0
