6ES7231-7PD22-0XA8参数规格

本文叙述的“数控深孔组合钻床”的全 称是“数控气缸体油孔双轴钻组合机床”。这种“钻”加工技术是为了解决加工深孔而发展起来的。钻一次进便可加工出(孔径精度、位置精度、几何精度)及高光洁度的深孔。钻钻头是一种特制的中空钻头，长度为1000mm不等，其非刃口部分设有通孔管道，与外部冷却液泵相通，用以冷却和冲屑。 作者采用三菱电机公司的可编程控制器(PLC)、定位单元、人机界面(触摸屏)、变频器配合两套交流伺服系统驱动滚珠丝杆和动力头，从导轨左右两侧向位置的气缸体工件推动进，实现了钻钻头进的定位和工件的加工。(参见图1)

图1 深孔组合钻床示意图

深孔组合钻床的自控系统选型

交流伺服系统选型
选用三菱HC-SFS502型电机，它的额定转矩为23.9Nm，大转矩为71.6Nm，功率为5kW，属中惯量、中功率类型电机。配套伺服放大器为MR-J2S-500A。该系统的技术参数如下:
额定转速:2000r/min;
大转速:3000r/min;
允许瞬间速度:3450r/min;

l光电编码器:17位编码器的分辨率为每转217=131072个脉冲。
l非常齐全的保护功能:具有过电流、过电压、过载、电机过热、编码器故障、再生故障、欠电压或瞬间电源故障、速、误差过大等各种保护。

PLC及定位单元的选型

三菱FX2N-PLC是FX系列中的级微型PLC，具有高速、的特性:一条基本指令运算时间为0.08μs;一条应用指令运算时间约为1.52 ~ 100μs。FX2N-80MR的输入点和输出点均为40点。

FX2N-20GM系列定位单元。它具有如下特性:
能提供2路脉冲输出并能实现直线插补和圆弧插补;
不仅能处理单速定位和中断定位，而且能进行多速运行等复杂的控制;
大可输出2路200kHz的高速脉冲。
可以不连接PLC而立运行，功能非常强大，特别适用于数控金属切削机床。
采用彩色可视化的参数设置软件，可以非常方便地设置参数和定位运行。
20GM定位单元的脉冲当量(即每个脉冲对应的进给量)由设置软件设定，设定可达到位移1μm / 脉冲或旋转0.001°/ 脉冲，比PLC主机脉冲高出一个数量级。
能够接受“手动脉冲发生器”的信号，可以在动态时对定位系统进行非常精细的调整。

变频器的选型

选用小型的FR-E540-3.7K-CH型号，特性如下:
采用磁通矢量控制，能实现1Hz运行150%转矩输出;
具有PID调节、15段速度等多功能选择。深孔组合钻床就是采用PLC控制变频器的多段速度，进而控制钻电机的旋转速度。

伺服系统参数设置、定位单元设置和PLC编程

伺服系统参数设置
“电子齿轮”的计算
“电子齿轮”即“指令脉冲倍率”是伺服系统的一个重要参数。它的表达式是:指令脉冲倍率分子/ 指令脉冲倍率分母= CMX / CDV。它的设定范围因机型而异，MR-J2S系列为:1/50＜CMX / CDV＜500，具体计算方法如下:

已知机械规格:
滚珠丝杆进给量:Pb=8mm;
减速机减速比:未使用减速机，n=1;
伺服电机编码器分辨率:Pt=131072(脉冲 / 转);
脉冲当量:△L=10μm=10×10-3 mm(考虑机械加工精度，未采用△L=1μm精度);
计算:

因此设定CMX=4096 CDV=25

表1 MR-J200A 伺服放大器主要参数实际设定表

定位单元20GM的设置及PLC编程

三菱FX2N-20GM(简称20GM)是一种小型智能化定位单元，它完备的功能可以与大中型PLC定位模块。20GM采用FX-VPS-E软件，它的流程图窗口由可视化的各种彩色符号块组成，用“有向连线”连接，具有形象、直观、简洁、易用的特点。双击对应的指令符号块即出现“参数设置”的形象化对话框，可以很方便地进行操作。(参见图3)
FX-VPS-E软件共有三个窗口:监视窗口、参数设置窗口和流程图窗口。

监视窗口

该窗口设置有X轴 / Y轴的DOG(近点开关)、START(启动)、STOP(停止)、ZRN(原点回归)、FWD(正转)、RVS(反转)以及Ready(就绪)、Completed(完成)、Error(故障)、Zero Completed(回零完成)等参数。操作者可以在软件视窗上用鼠标点击相应的参数框，即可驱动定位单元，进而驱动伺服系统并且可以进行实时监测。(参见图2)

 图2 FX-VPS-E软件的组合钻床“操作、监视”窗口

参数设置窗口

该窗口可以对定位单元的定位参数(含单位体系、机械零点、速度等)、1 / O参数(含编号、M代码、手动脉冲发生器、位置等)和系统参数(含系统、子任务等)进行形象化设置。(参见图4)
定位参数的单位体系设置分为三种:单位机械体系、单位电气体系和单位综合体系。

流程图窗口

该窗口将三个大类的流程图符号用“有向连线”按顺序控制的流程连接，非常方便。(参见图3)
20GM定位单元与PLC主机通讯程序编制

在20GM定位单元与PLC主机之间的通讯数据由FROM / TO指令控制。在20GM中有专门用于通讯的缓冲存储器BFM，每个BFM由16个位(一个字)组成。BFM编有号码，对应地在PLC中分配有输入继电器、输出继电器、辅助继电器以及特殊辅助继电器等。

使用TO指令从PLC传送数据"写"到20GM的数据设备中，使用FROM指令从20GM中传送数据"读"到PLC的数据寄存器中。

图3 FX-VPS-E软件的组合钻床“流程图”

深孔组合钻床使用TO指令的PLC程序实例:
LD M8000; 特殊辅助继电器;
TO K0 K20 K4M100 K1 PLC的M100~M115对应20GM的缓冲存储器#20;
TO K0 K21 K4M200 K1 PLC的M200~M215对应20GM的缓冲存储器#21 。
以上PLC程序建立了20GM与PLC辅助继电器(触摸屏)的联系，可以从触摸屏或者外部按钮通过PLC向20GM发出各种操作命令:
X轴 Y轴
Step run(单步运行) M100 M200
Start(启动) M101 M201
Stop(停止) M102 M202
M code off(M代码关) M103 M203
Zero return(原点回归) M104 M204
FWD Jog(正转点动) M105 M205
RVS Jog(反转点动) M106 M206
Error reset(故障复位) M107 M207
Zero return axis(回零轴控制)
M108 M208

深孔组合钻床使用FROM指令的PLC程序实例:
LD M8000 特殊辅助继电器;
FROM K0 K23 K4M300 K1 20GM的缓冲存储器#23对应PLC的M300~M315;
FROM K0 K25 K4M400 K1 20GM的缓冲存储器#25对应PLC的M400~M415。
以上程序建立20GM与PLC辅助继电器的联系，可以从触摸屏对应的PLC辅助继电器反映20GM的运行状态;
X轴 Y轴
Ready/Busy(就绪/占用) M300 M400
Completed(完成) M301 M401
Error detection(故障检测) M302 M402
M code on(M代码开) M303 M403
M code waiting(M代码等待) M304 M404
M00 waiting(M00等待) M305 M405
Stop waiting(停止等待) M306 M406
Auto running(自动运行) M307 M407
Zero completed(回零完成) M308 M408

系统调试

现场调试系统时，先用一台电脑用软件检测监视伺服放大器状态，另一台电脑用软件视窗驱动20GM定位单元，同时观察伺服电机的运动，以验证伺服系统和定位单元的自身接线是否正确。然后用触摸屏和外部相关开关按钮进行操作，验证所有程序的正确性。

我们设计的“机械零点回归”控制方案是:伺服电机驱动的动力头在返回原点碰到DOG近点开关后，开始降速，并继续向后运动一圈后，开始爬行一段距离，再行停止。相关参数如可以在软件中设置(参见图2)。但在实际调试时，发现Y轴动力头碰到DOG近点开关后就立即停止，与参数设置不符;另外发现Y轴伺服放大器"电子齿轮"所决定的电机数据与理论计算有较大出入。经过对硬件设备的多次检查，发现自行焊接的伺服放大器与20GM的通讯电缆有些问题:因为接点多而细密，容易接触不良，使个别数据线开路而无法正常通讯，造成了上述故障。于是另行购置了型号为E-GMJ2-200CAB1A的三菱电缆，系统才正常工作，包括“电子齿轮”也恢复到理论计算数值。这个教训非常深刻，值得引以为戒:在工程中切不可“因小失大”。
由于系统采用了20GM智能化定位单元和的三菱伺服系统等，系统调试也较为简便，其调试结果也令人非常满意。

结束语

从深孔组合钻床数控系统的设计开发中，我们看到了触摸屏、PLC、定位单元和交流伺服系统的配合，具有编程灵活、使用方便、性能、价格低廉等优点。与机床数控系统CNC比，有较大的价格优势;与传统的单片计算机控制系统、多轴运动控制卡系统相比，有稳定、编程灵活的优势。

 图4 FX-VPS-E软件的“机械零点参数”设置窗口