1 引言
傳統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，要想達到高精度和高效率就十分不容易。基于此問題，我們開發了數控鉆床，它可以按照輸入的進刀曲線連續工作，始終保持高精度和高效率。
2 控制要求
數控鉆床的控制要求為:（1）控制系統應可調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。空程的時候的進刀曲線如圖1所示，加工的進刀曲線如圖2所示:（3）主軸轉速應可調節，且范圍應寬廣。（4）加工精度高，加工深度誤差小于0.05mm。


3 系統的硬件設計
根據系統的控制要求配置硬件如下;
l 控制器:1個西門子公司的s7-200系列cpu222plc;
l 人機界面:一個dp210;
l 外設:2個步進電機、2個步進電機驅動器、2個三相電機、1臺變頻器、1個em222、8個電磁開關、4個光電傳感器和1個霍爾傳感器。系統的硬件結構如圖3所示。






3.1 系統的i/o點分配
由硬件結構圖可知，系統需要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
系統的關鍵設備是plc。plc是以單片機為核心，專門用于工業過程自動化控制的電腦器件，具有極高的可靠性和穩定性。本系統選用西門子公司的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動步進電機，需通過步進電機驅動器將功率放大后才能起作用。5路數字量輸入分別與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路數字量輸出中，有6路用來控制步進電機驅動器，8路用來控制電磁閥開關。
plc本機有一個通信口，為標準rs-485接口，在plc與上位機進行通信時需將rs-485接口轉換為標準rs-232接口，可以采用西門子提供的隔離型pc/ppi電纜進行轉換。該電纜有撥碼開關可以進行設置。在上位機上將控制軟件編寫好后，通過此線下載程序并監視程序的運行情況。為了降低成本，在程序調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，本系統選用的是dp210操作面板。
3.3 系統的外設
根據系統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，在本系統中一個脈沖的精度是0.005mm。步進電機驅動器用于驅動步進電機，從而控制鉆頭的動作，完成鉆孔。步進電機驅動器接收plc的信號，包括cp步進脈沖信號，dir方向信號，free脫機信號，經過其內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。步進電機根據信號的變化來產生相應的動作。電磁閥直接接受來自plc的控制信號產生動作。另外，plc直接接受傳感器的信號，通過內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速。本系統中變頻器采用基本參數運行模式，由電位器來設定運行頻率，變頻器的啟動和停止由外部端子控制。根據不同工件的特點，通過旋轉電位器來改變主軸電機的轉速，外部端子的信號由plc的第12路數字量輸出控制。
4 系統的軟件設計
系統的軟件包括人機交互界面dp210程序和系統的主控程序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中各個按鍵動作所對應的plc程序的控制位。程序畫面要與生產現場的工作流程相適應，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 結束語
本文所設計的系統操作簡單，加工產品范圍廣，加工精度高，已經成功應用于生產實踐當中。該鉆床目前已經在某表帶生產廠進行表帶鉆孔生產。自從開始生產以來，系統運行穩定，產品質量顯著提高，廢品率明顯下降。同時，極大的減輕了工人的勞動強度，提高了生產效率。還可以用于其它精密器件的鉆孔，最小孔徑可達到0.5mm。