HC－600型便携式船用数控镗孔机控制系统设计

杜飞明，常 恒，张玉莲

(浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江 舟山 316000)

HC－600型便携式船用镗孔机是浙江舟山海川船舶机械有限公司设计的产品，主要适用于船舶修造行业，是加工船舶舵系安装孔、轴系尾轴孔、大型起重机安装孔的设备。也适用于部分不易移动的体积大、质量大，必须在现场进行加工的设备。通过现场固定便携式镗孔机进行镗孔，可以完成大部分加工任务，但在某些特殊情况下，不带数控系统的便携式镗孔机就难以达到精度要求。如加工一些长度和精度要求很高的盲孔时，由于肉眼难以观察到孔内表面的加工精度和孔的深度，就会使得加工效率降低，生产成本增加，同时无法确保生产要求;还有在加工具有多孔系的箱体零件时，不仅要求保证尺寸的精度，还需要保证孔系之间的定位精度和孔的形状精度。因此引进数控技术，并用伺服控制替代手动控制，以获得控制系统稳定可靠、操作简便、性价比高的便携式数控镗孔机已经成为一些船舶修造企业进行设备改造的途径。

1 便携式船用数控镗孔机数控部分组成

a.PLC 控制器。

可编程序控制器(PLC)技术已经在工业自动化领域得到了广泛的应用。它在控制性能、组机周期和硬件成本等方面表现出较大的优势，是其他工控产品难以比拟的。如果用PLC控制技术对一些机床实施改造，则具有普遍的技术及经济意义[1]。

b.人机交互(HMI)。

工业控制自动化领域中除了可编程序控制器(PLC)外，还有不可缺少的一块就是人机交互，人机界面是当今工业控制自动化技术的热点之一。所谓人机交互，是指人与计算机之间使用某种编程语言，以一定的交互方式，为完成确定任务的人与计算机之间信息交换的过程。在设计过程中通过设计一个人机界面(HMI)作为操作人员和操作设备之间沟通的桥梁，使得操作者可以实时按需输入加工要求并且实时观测加工状态。笔记本多用USB作为通信端口，通过电平转换与RS－232总线相连，总线再与PLC相连，对工业生产加工进行全过程监控，形成一个全新控制系统。常用的人机交互界面就是触摸屏，由于触摸屏集点触操作与动态观测于一体，使得应用了触摸屏的控制系统更加直观，易于操作。目前触摸屏技术已经在我国得到了广泛的应用。

c.伺服电机。

在工业控制自动化中，伺服电机是不可缺少的一环。相比传统的电动机，伺服电机通过将电压信号转化为转矩或转速信号以驱动控制对象，对速度和位置精度有着更准确的控制。伺服电机不仅具有机电时间常数小、线性度高、始动电压低等特性，还具有体积小、动作反应快、过载能力大、调速范围宽、低速力矩大、波动小、运行平稳、噪声低、效率高等优点[2]。目前，国内外已经将伺服电机广泛应用于数控系统、工业生产流水线、汽车制造、航空航天等领域。

2 便携式船用数控镗孔机的控制方式

便携式船用数控镗孔机的控制核心为PLC，并以触摸屏为人机交互界面，通过触摸屏输入镗孔机完成工作任务所需的各种参数(镗杆转速、每转进刀量、加工孔深)。触摸屏显示镗孔机当前的工作状态(主轴电机转速、进给电机转速、镗杆转速、主轴绝对坐标(目标)、进给绝对坐标(目标)、主轴当前坐标、进给当前坐标、剩余运行时间等)，并实时控制镗孔机的各种动作(急停、开始运行、进给暂停、进给调速、镗杆调速、机械回零等)。手工输入触摸屏的各种参数变成各种指令代码输入PLC，在PLC处理之后将命令及脉冲输入伺服电机驱动器，伺服电机驱动器在设置参数后，与高速编码器的反馈信号形成闭环控制。外置电子手轮连接PLC，对镗孔机的启动、调速、对刀等进行手动脉冲控制。

3 便携式船用数控镗孔机控制系统硬件设计

3.1 PLC 的选择

PLC的选型首先是品牌的选择，在综合考虑成本、稳定性、编程人性化等因素后，选择台达PLC。

其次根据所需功能和容量进行具体型号的选择，并考虑维护的方便性、备件的通用性、是否易于扩展、有无特殊功能要求等。

a.PLC输入/输出(I/O)点确定。I/O点数选择时要留出适当余量。由控制要求可知有16个输入口，则输入的点数可选择16点;输出已知有10个，则输出点数也可选择16点。综合以上两点，选择输入输出点数为相同的16点。

b.PLC存储容量。系统有模拟量信号存在或进行大量数据处理时容量应选择大一些;便携式船用数控镗孔机的PLC控制程序设计步骤在1000step之内，默认存储容量为16kstep已经足够使用。

c.输出类型。由于需要控制2个伺服电机，所以在16个输出点中需要有至少2组高速输出，并且触摸屏和伺服电机驱动器使用相同的24V直流电，所以输出类型选择晶体管型输出。

d.输入要求。由于要读取电子手轮的AB相编码脉冲，所以选用的PLC至少需要有1组高速输入点。

e.PLC的连接。由于PLC需要连接触摸屏，所以需要在选购时注意连接端口的型号。

综上所述原因，最终选择台达 DVP－32ES200T2。

3.2 伺服电机与触摸屏的选择

在选用伺服电机时，需要参考计算得出的镗孔机主轴输入功率(2.4kW)以及进给电机输入功率(400kW)，而且在控制时需要精确设定加工深度并精确定位加工位置，所以要求选用有位置控制的伺服电机驱动器。根据以上数据和要求选购了武汉华大新型电机科技股份有限公司的型号为130ST－M10025LFB、80ST－M01330LF1B的伺服电机及型号为SBF－PL301/3A的伺服电机驱动器。

选购触摸屏时综合考虑成本和工作要求，选用了维纶公司的型号为WEINVIEW MT6070iH的触摸屏。

3.3 PLC控制I/O分配表

在PLC编程实现控制时，需要对PLC控制器的I/O口进行分配见表1。其中“X”表示PLC控制器的信号输入端口，“Y”表示信号输出端口，后续数字为相应的地址，与PLC外围接线地址一致。(但不包括扩展)[3]。

表1 PLC控制I/O分配表

3.4 PLC控制系统接线方式

PLC控制器常用通用串口(RS232)为其下载程序，而笔记本多用USB作为通信端口。因为USB用的是TTL电平(逻辑“1”为 +5V，逻辑“0”为0V)，RS232是负逻辑(逻辑“1”是－12V，逻辑“0”是+12V)，所以两者通信时需要电平转换。一般用MAX232芯片进行转换，实现计算机USB接口到通用串口之间的转换，为没有串口的计算机提供快速的通道。将即插即用USB转换成通用串口设备，最大优点为支持热插拨、即插即用、传输速度快、调试简便等。本设计采用USB转RS232通用串口线实现通信功能，如图1所示。

图1 PLC与电脑连接图

购买触摸屏时定制一条连接线连接PLC，实现PLC与触摸屏的连接，如图2所示。

图2 PLC与触摸屏连接

伺服电机驱动器采用传统的连接方法，控制方式为闭环控制[4]，实体连接和原理图如图3所示。

4 便携式船用数控镗孔机控制系统软件设计

4.1 触摸屏组态软件

触摸屏组态软件使用的是威纶公司的Easy-Builder 8000软件，简称EB8000，是台湾威纶科技公司开发的新一代人机界面软件，适用于该公司MT8000和MT6000系列所有型号的产品。Easy-Builderd是用来配置MT8000系列触摸屏元件的综合设计软件，或者称为组态软件(简称EB500)。按下编辑按钮，可以进入EB500组态软件的编辑画面。在模拟过程中，可分为在线模拟和离线模拟两种状态。

OnLine－Simulator(在线模拟):工程经由EB8000编译后(其编译后的文件为*.eob文件)，Simulator可经由MT500读取PLC的数据，并在PC屏幕上直接模拟MT8000的操作。在调试过程中使用在线模拟功能可以节省大量程序重复下载的时间。

图3 伺服电机驱动器与电机连接原理图与实物图

OffLine－Simulator(离线模拟):可以离线模拟程序运行，其读取的数据都是触摸屏内部的静态数据。触摸屏组态界面如图4所示。

图4 触摸屏组态界面

4.2 伺服电机驱动器端口配置

选用的伺服电机驱动器端口排布如图5所示，并对各个端口进行配置，见表2。

图5 伺服电机驱动器CN1接口引脚图

5 便携式船用数控镗孔机控制系统工作过程

镗孔机自动化控制工作过程从系统初始化到整个作业完成顺序如图6所示。

表2 伺服电机驱动器端口配置

图6 镗孔机自动化控制工作流程图

6 镗孔机PLC控制元器件选型配置

在对便携式船用数控镗孔机控制系统元器件选型配置时，对于数据寄存器、高速计数器和部分辅助继电器，选用了停电保持型，以确保在加工过程中不会因突然停电而影响到工件的加工精度。

7 镗孔机触摸屏组态界面形式

镗孔机触摸屏组态界面布置图和实时显示界面图如图7所示。

8 结束语

图7 触摸屏组态界面和实时显示界面图

本文对传统的HC－600型镗孔机进行了数控系统的设计，用数控编程操作替代人工手动操作，在舟山海川船舶机械有限公司实际加工使用过程中，在保证精度的同时实现了操作简便的目的，同时效率也有较大提高。改造后的镗孔机因其控制程序的可擦写性和结构的小型化，能够很好地适应不同的加工工艺和工作环境，在船舶行业(尤其是现场加工)有着比较良好的推广与应用前景。目前只是对原有的镗孔机进行数控改造，接下来将根据镗孔机的工作原理自主设计适合船舶现场加工的小型数控镗孔机，与改装的数控镗孔机相比，在保证加工精度和提高效率的基础上，其结构将更加紧凑，体积更小。

[1] 杨长能，张兴毅.可编程程序控制器基础及应用[M].重庆:重庆大学出版社，2001.

[2] 静康.实用电工典型线路图例[M].北京:中国水利水电出版社，1998.

[3] 全国电气文件编制和图形符号标准化技术委员会.电气电工及相关标准汇编[G].北京:中国电力出版社，2001.

[4] 齐占庆.机床电气控制技术[M].北京:机械工业出版社，1999.