中山市西门子模块代理商

引言

　　在新开发的产品中有一个型号为Q7的长条铝基台，要在上面加工两个φ3.7×1.65的平底盲孔，由于要求精度高，批量大，故无法用传统的钻模在钻床上加工，也很难在传统铣床上面加工，即使能加工效率也很低，并且设备损耗和电力损耗也很大。此工件的加工有着非常广泛的代表性，生产的很多产品有着类似的要求，为此，我们设计制做了一台用于此类产品加工的设备——通用型数控钻铣床。

一、系统概述

控制部分采用PLC，并配以人机界面进行程序参数修改、设定，以及运行状态显示监控，可编程设置人机界面的内容。三轴均为全数字交流伺服系统，各轴伺服电机通过连轴器带动滚珠丝杠，以移动配有直线导轨的工作台和主轴铣头，其定位准确，速度快。主轴铣头由变频器控制，根据刀具及工件和进给量，来设置主轴合理的转速，并在程序中设定它的启动停止。各轴均设二端极限传感器和原点传感器，冷却和润滑也都有异常检测，在报和人机界面处显示报警信息。为便于调试和检修，各项操作均设手动功能，如手动各轴快慢移动、主轴高低速旋转、切削液及润滑开关等。此机床整体虽为半闭环控制，只要选件、装配、程序编制及操作合理，精度和稳定性还是能满足使用要求的。

　　二、硬件配置

　　PLC选用永宏的FBS-40MCT，该型机具有较高的性价比，体积小，功能强，24点输入，其中有16点高速计数器，频率可达120K，16点输出，其中有4轴步进或伺服输出整合在里面，输出频率可达120K，使应用起来非常方便，接线简捷。编程软件WinProladder有梯形图大师之称，易学易用且功能强大，编辑、监视、除错等操作非常顺手，按键、鼠标并用及在线即时指令功能查询与操作指引，使编辑、输入效率倍增。

　　接点分配：取各轴伺服电机的Z相信号作原点开关，要分接在几个高速输入点上，用中断进行机床原点复归，其余限位开关、操作开关、液位检知等常规接点可按顺序依次接入。X、Y、Z三轴伺服电机连在前3轴伺服输出点，主轴高低速、冷却、报警等接在其余输出点上。

　　X、Y、Z3轴伺服系统均选用相同的，和利时的ES系列全数字交流伺服驱动器0040E-CBCEE-02，和60系列小惯量的伺服电机60CB040C-2DE6E。该伺服系统功能比较完善，如能耗制动、电子齿轮、自动加减速等，具备多种脉冲串输入，保护功能也比较完备，有欠压、过压、过流、过载、堵转、失速、位置超差、编码器异常等。在此设备中按集电极开路驱动方式连接至PLC，高脉冲输入频率为200K,伺服ON、Z相信号等也做相应连接。

　　变频器选用富凌的DZB70B0015L2A，规格为单相1500W，400Hz，有多步速供编辑使用。由于正常使用时不频繁变速，故速度调节设定不引出，只在变频器操作面板上调节，设定两个速度，高速用于加工，低速用于对刀。调节相关参数与主轴匹配，如基频、基压、运行频率上限、载频等，并改动相应跳线。

　　主轴没有采用传统方式，而是根据加工需要，采用了雕刻机用的电主轴，安阳莱必泰的ADX80-24Z/1型，其体积小、噪音低，直径只有80mm,这样使整个主轴箱便于整体密封，可有效地防止加工中的碎屑飞溅到Z轴的丝杠和导轨上造成损害，也使主轴箱外表显得美观。它的高转速为24000转/分，使正常工作转速6000-14000转有一个合适的余量范围。　　人机界面选用人机电子的通用可编程文本显示器MD204L，它可以以文字或指示灯等形式监视、修改PLC内部寄存器或继电器的数值及状态。

　　三、软件设计

开机后先检测手动开关是否有效，若手动开关有效即利用各手动控制开关执行手动操作的项目。若手动开关无效，则启动原点复归程序，各轴进行机床原点复归，先回Z轴再回其它两轴，当所有轴都原点复归成功后才能进行到下一步。若刀具和工装夹具、工件程序均没有变动，可复位到加工预备状态而不进行对刀，若需对刀，则打开对刀开关启动对刀程序，3轴分别对刀，即找工件原点，利用手动各轴移动开关快慢移动各轴，使工件的三个面分别碰触低速旋转的刀具，刚好碰上为止。对好后，按对刀OK确认，再输入刀补，经过程序处理，即形成工件原点也就是编程0点，编程时根据此0点按照图纸计算刀具路径，可使操作者思路清晰，编辑运算简单。操作者编辑的是用户程序，可以编辑刀具轨迹，就是各轴移动坐标，还有移动速度、循环加工时的循环次数等。编好程序后或使用当前程序时，即复位到预备状态：各轴移动到初始位—一个合适的位置，装卸工件方便、不易碰触刀具时，装上工件，按启动即可开始加工，主轴运转，冷却液开，各轴按程序设定坐标移动。当加工结束时，机床复位，即各轴又移动到初始位，主轴停，冷却关，这时可卸下工件，完成加工过程。

以Q7产品为例，胎具上一次装夹15只工件，那么就有30个φ3.7的平底盲孔需要加工，刀具选用φ3.7的2刃钨钢立铣刀，钻削加工，钻削深度1.65mm。在预备状态时紧靠工作台上的定位固定好胎具，按启动后，主轴旋转，待主轴即将达到额定转速时，X、Y轴同时运转到第一加工工位，也就是第一个孔的X、Y工件坐标值，此时冷却液打开、Z轴快速下降到加工区，即铣刀端面即将触及工件加工面，迅速变用缓慢的工进速度开始钻削加工。当加工深度到达设定深度（1.65mm）时，Z轴带动铣刀迅速抬起，抬起的高度为铣刀端面水平方向上碰触不到工件及胎具为准。计数器加1后程序进行比较运算，判断加工是否完了，如否，则X、Y轴继续运转到下一加工工位，再重复Z轴下降加工动作。如加工完了，产量计数器加数、主轴停转、冷却液关闭，同时发出5s声光报讯，用以提醒操作者，各轴移动到初始位：Z轴到上端；X轴到左端；Y轴到外端。卸下胎具后，一个加工周期完成，装上胎具再按启动即开始进行下一轮加工。

　　四、一些着重的电气措施

　　1.主回路加装漏电断路器，相应回路都安装合适的断路器。

　　2.PLC和伺服系统的电源处都分别加有电源滤波器。

　　3.各直流继电器线圈都并接反峰二极管，交流接触器线圈并接阻容吸收回路。

　　4.润滑、主轴冷却都设液位低报警器。

　　5.伺服控制线、人机界面通讯线等使用屏蔽线，并远离电源线。

　　6.在拖链内走线，使用耐折的柔性电缆，并尽量增大拖链的弯曲半径。　 

　　7.变频器与PLC、伺服驱动器等保持一定距离。

移动机器人由于具有优越的机动性和灵活性而备受青睐,在许多场合投入实际应用,如核工业检测,消防、火场检测,有毒、易燃、易爆气体场所探测,采矿、星球探测及无人战场等。为了适应不同环境下的应用,移动机器人控制系统的硬件和软件结构也不相同。本文涉及到的移动机器人是应用在防爆系统中,控制系统要求高稳定性、可靠性和实时性,采用西门子的S7-200系列的PLC作为控制器对其进行控制是一种既经济又能充分满足设计要求的有效方法。 

1 移动机器人控制系统的硬件设计 

1.1 控制系统组成及PLC控制原理 

    一般的控制系统采用工控机控制整个系统的工作,工控机工作可靠、控制准确、使用方便。防爆机器人一般工作在室外环境和野外环境,工作环境恶劣。作为移动机器人,整个控制系统要求尽量轻便,这时若采用工控机则整个系统不够方便、灵活。PLC具有良好的稳定性、结构轻巧,采用两个PLC作为上、下位机,则系统轻巧灵活。根据操作和控制要求,控制系统选用西门子公司的S7-200系列的PLC,该PLC可以满足多种多样的自动化控制需要。由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大功能的指令,使得整个控制系统的性价比大大提高,操作也简单易行;同时,系统的可靠性、稳定性和控制的准确性也得到了保证。

 此防爆机器人的控制系统主要由上、下位机两部分组成。上位机PLC(CPU224)用于整个系统的启停控制,控制台上为一系列控制按钮,控制台将希望的机器人的动作传到上位机的PLC和上位I扩展模块(EM221)里,操纵杆将电位器的位置通过PLC的扩展A/D模块(EM231)将模拟量转化为数字量,通过上位PLC和下位PLC(CPU224)的通讯,将这些数据传输到下位PLC。同时,上位机接收来自下位机的温度、位置、角度等状态信息。为了将这些数据显示,选用性价比较高的数码管与上位PLC进行相应的连接,然后将这些数据准确地显示出来。防爆机器人机体上的摄像头将机器人工作现场的画面传送到控制台的显示器上,在显示器上实时反映机器人的工作状态,便于操作者根据实际情况控制排爆机器人的动作。 

    下位机的PLC一方面接收上位机传过来的指令,并和O扩展模块(EM222)一起通过继电器组对直流电机驱动器进行控制而对相应的直流电机动作进行控制,完成操作者希望的机器人的动作;另一方面,从工作现场采集到温度、位置、角度等模拟信号,通过模拟量扩展模块(EM231)将其模拟量转换为数字量。通过与上位机PLC的通讯,将这些数据传送到上位PLC上。 

1.2 数据信号传输媒介 

    数据信号传输媒介多用光缆和电缆,光缆传输容量大,传输距离长,抗电磁干扰能力强,但是对安装技术要求高,并且价格相对昂贵。电缆作为信号传输媒介,价格便宜,安装方便,数据传输准确、快速,但是有线通讯有许多局限性,例如整个系统由于电缆的存在而不够灵活。 

    在实际使用过程中,为了解决有线通讯的局限性,采用无线数传模块进行数据信号的传输。无线数传模块体积小、使用方便,但是数据传输的误码率比较高,易受电磁干扰。这里采用的TDX-1000无线通信模块包括无线接收、发射、FSK调制方式,并采用前向纠错信道编码技术,提高了数据抗突发干扰和随机干扰的能力。接口方式是5V TTL电平兼容接口,无线通信模块是半双工的,收/发的切换通过收发控制信号线实现。 

2 软件系统的设计 

2.1 控制系统控制流程 

 系统的控制过程为:用户将希望的机器人的动作作为指令输入到控制面板上,PLC对这些指令进行处理,转换为数据,发送到下位PLC上;下位PLC接收到上位PLC的数据后,将这些数据转换为控制信号,控制机器人体上的直流电机,完成相应的机器人动作。与此同时,下位机采集由传感器发来的现场信号,并进行处理,从而转换成数据传送到上位机上;上位机接收下位机发来的现场的数据,通过数码管将这些数据显示出来。 

2.2 数据传输格式 

    S7-200系列产品的通信模式有两种:一种是点对点通讯协议,用于S7-200与其编程器或西门子公司的人-机接口产品之间的通讯;另一种是对用户完全开放的自由口模式,用户根据实际系统的应用要求,自行规定通讯协议。本系统是两个PLC之间进行通讯,使用自由口通讯协议。上、下位机PLC之间的通讯数据传输的波特率为9600bps,奇校验,数据的格式是1位起始位、8位数据位、1位FCS校验位、1位停止位。

2.3 控制系统的程序流程 

    根据移动机器人工作的要求,确定机器人各个电机工作的相互关系,画出程序流程图,再由PLC的输入输出的逻辑关系编写梯形图。

2.4 提高无线通信可靠性的方法 

    系统采用无线通信还涉及到许多问题,包括:(1)无线通讯的收发切换问题;(2)无线收发模块易受电磁干扰,数据传输时误码率比较高。 

    采用以下几种方法对产生的问题进行解决。第一:关于收发切换引起的延迟。在半双工通讯中,波特率一定的条件下,系统的响应时间主要取决于PLC的大指令执行循环时间和无线收发模块的收发切换时间。PLC的大指令执行循环时间由PLC的软件系统结构决定,在进行编程的时候,充分考虑这些因素进行编程。第二:关于数据传输的稳定性和准确性。为了保证数据传输的稳定性和准确性,采取了几种方法。(1)对发送来的每一组数据检查起始字节和结束字节,采用奇校验;(2)采用工程上的循环冗余校验(CRC),这种方法是对发送的数据按字节进行异或运算,将得到的结果作为FCS校验码同要发送的数据一起发送到下位机,下位机将收到的数据进行同样的运算,将结果与FCS比较来确定收到的数据是否正确;(3)此外,在收发切换与数据发送之间插入一定的延时,延时时间大于无线收发模块的收发切换时间,易于保证数据传输的稳定性。实验证明,以上方法大大提高了通讯系统的可靠性,降低了误码率,减少潜在的故障。 

    本系统采用两个PLC分别作为上、下位机进行移动机器人的控制,可使整个系统的性能稳定,易于操作,维护方便,。本系统已经成功应用于防爆机器人上,在实际的应用中受到好评。