1 引言

　　隨著數控產品需求量的急劇增加，對數控鉆削技術的要求也隨之增長。國內深鉆削主要靠麻花鉆來深加工，鉆孔時為了避免損壞鉆頭，必須頻繁迸退刀，而間斷次數過少和過多，都會對鉆頭造成損壞，且惡劣的工業(yè)環(huán)境對控制器的抗于擾性提出了更高的要求。故要求控制器能對深加工中的數據實時修改進而控制鉆頭的進退刀，這樣才能確保深加工的穩(wěn)定性、安全性，進而提高生產效率，在此背景下，基于PLC的數控鉆床控制器應運而生。然而由于PLC的CPU模塊被發(fā)達國家壟斷，使得PLC的價格昂貴，故采用高性能的單片作為PLC的CPU模塊已然迫在眉睫。

2 方案設計

　　數控鉆床控鑭器的控制對象是鉆床，被加工的零件是鋼質的環(huán)模，數控鉆床控制器的功能可概括為：控制鉆床在鋼質的環(huán)模上鉆出許多排列有序的通孔，如圖1所示。具體要完成的如下功能。

圖1加工后的環(huán)模

　　2.1 主軸的運動

　　主軸的運動分為旋轉運動和縱向進給，鉆頭是固定在主軸上的，由高速電機帶動旋轉進而實現對環(huán)模的切削；主軸的縱向進給運動，伺服電機驅動主軸縱向進給，進而帶動鉆頭上下運動從而實現進、退刀。

　　2.2 轉軸運動

　　轉軸只進行軸向運動，環(huán)模是固定在轉軸上的，是由步進電機驅動轉軸轉動進而帶動環(huán)模作軸向轉動，從而確定鉆孔的位置。

　　2.3 參數的實時顯示及修改

　　根據鍵盤輸入的參數(鉆孔的深度、速度、個數)控制步進電機帶動環(huán)模轉動、伺服電機控制鉆頭上下運動。用數碼管顯示出轉動速度、鉆孔速度、打孔次數及鉆孔深度，進而達到對深孔加工中鉆頭的實時監(jiān)測及參數修改。根據以上要求得出控制器的系統框架如圖2所示。

圖2系統框圖

　　系統包括主控制器、環(huán)模轉動定位控制、深孔鉆削控制、控制面板、PC客戶端。主控制器采用PLC，輸入端主要是接收來自控制面板的信號并進行響應，以及通過RS232實現與PC端的通信；輸出端主要是實現對步進電機、伺服電機的控制?？刂泼姘逯饕怯晒δ苕I、矩陣式鍵盤組成，主要完成控制器的啟動、暫停、急停以及鉆孔深度、速度、個數數據的實時修改等控制功能。環(huán)模轉動定位控制模塊和深孔鉆削模塊主要是接收來自PLC的信號進而分別控制步進電機、伺服電機轉動從而分別實現環(huán)模的軸向運動(對孔的定位)、鉆頭上下運動(對孔的鉆削)。

3 硬件設計

　　數控鉆床控制器的核心部件是可編程邏輯控制器，pLC是一種為工業(yè)控制特別設計的專用計算機。由于它易于編程，且在惡劣的生產環(huán)境下仍可正常工作，故被廣泛應用于工業(yè)控制中。目前，我國的PI￡市場絕大部分被國外產品所占領，主要是因為PLC的CPU模塊被發(fā)達國家壟斷，而CPU又是PLC正常工作的核心，故國外的PLC價格昂貴，然而對于機械加工廠來說成本相當重要。隨著微控制器技術的發(fā)展，高性能單片機功能日益強大、成本不斷降低，提出用高性能的單片機作為CPU模塊來制作PLC。

　　3.1 主控制器模塊

　　數控鉆床的核心是控制器，而控制器的核心部件是能夠完成檢測和控制功能的PLC，宏晶公司的ST(3單片機，既有以上功能又能產生PWM波。故采用宏晶公司的SIC系列單片機中功能強、功耗低、抗干擾性強的8位微處理器STC12C5A60S2增強型單片機作為PLC的控制核心如圖3所示，其頻率范圍：0～35 MHz，44個通用I／O口，4個16位定時器、2路PWM輸出口和8路高速10位A／D轉換，轉速25萬次／秒主要針對電機控制，且特別適合環(huán)境惡劣的工業(yè)現場中。

圖3主控電路

　　3.2 開關量輸入電路

　　PLC為了提高系統的抗干擾性，在輸入電路中有各種抗干擾設計，用光電耦合器將輸入電源和系統電源隔開并進行濾波處理。本文選用直流開關量輸入方式，如圖4所示，輸入電路接收操作面板上的開關信號并將其轉換單片機可接受的低電壓信號，實現PLC內外信號的電氣隔離進而發(fā)送動作信號到相應的繼電器向輸出端發(fā)送控制信號。輸入信號與單片機間用光電耦合器TL521 1隔開，用戶電路接在X0與24V間，開關閉合，光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光，三極管導通，IN0為高電平，D1發(fā)光該輸入點導通。

圖4開關量輸入電路

　　3.3 繼電器輸出電路

　　本文的輸出電路為繼電器輸出方式，如圖5所示，它既能驅動交流負載又能驅動直流負載，使用的電壓范圍較寬，承受過壓和過流能力較強。輸出電路用于將單片機內部的低電壓信號轉換成驅動外部輸出設備的開關信號，實現PLC內外信號的隔離。輸出信號與單片機問用光電耦合器TLP521—1隔開，采用常開型繼電器，當OUTO輸出低電平時。光電耦合器使Q1導通繼電器K1得電吸合D2發(fā)光；當OUT0輸出高電平時光電耦合器使Q1截止K1釋放D2熄滅。

圖5繼電器輸出電路

　　3.4 串口通信電路

　　PLC作為一種工業(yè)化的控制器，通過串行通信接到PC端，就能實現對PLC的編程和數據的交換，故它必須有串行通信功能。由于PC串口為RS232電平，而單片機串口為TTL電平，故必須進行電平轉換，而MAX232芯片能實現這兩種電平間的轉換，故本文采用MAX232構成的電平轉換電路進行電平轉換，通過STCl2C5A60S2單片機的TXD和RXD引腳完成串行通信的接收和發(fā)送。串行通信電路，如圖6所示。

圖6口通信電路

　　3.5 步進電機驅動器接口電路

　　步進驅動器的輸入控制信號有8個，分別是輸入端子電源正極(COM1～COM4)、方向脈沖發(fā)出方式選擇(MC1)、指令脈沖觸發(fā)方式選擇(MC2)、指令脈沖信號(MC3)、方向脈沖信號(MC4)。輸入端的+5V由開關電源提供其余4個控制信號由PLC的繼電器輸出控制，步進電機驅動器接口電路，如圖7所示。

圖7步進電機驅動器接口電路

　　3.6 伺服電機驅動器接口電路

　　伺服驅動器的輸入控制信號有4個，分別是輸入端子的電源正極(COM+)、伺服使能(s0N)、指令脈沖輸入(PULS+、PULS一)、指令脈沖SIGN輸入(SIGN+、SIGN-)。因為伺服電動機的脈沖量數據需采用差分驅動方式進行傳送，然而單片機只能輸出單脈沖量信號，故要將單片機輸出的單脈沖量信號轉換為差分脈沖信號，本文采用MC3487芯片來實現。MC3487滿足標準RS422四線驅動器的特性，其工作電壓5 V，輸出電流48 mA，三態(tài)輸出與TTL兼容，高輸入阻抗，有加電、斷電保護功能，交流伺服電機驅動器的接口電路，如圖8所示。

圖8伺服電機驅動器接口電路

4 軟件設計

　　一個完整的PLC系統程序流程圖，如圖9所示，本文的軟件設計主要是模仿PLC的循環(huán)工作。輸入采樣程序和輸出程序對任何應用程序都是一樣的，這部分屬于系統程序，但梯形圖處理處理程序需要針對不同的應用編寫不同的程序。

圖9系統程序流程

　　本系統軟件采用Keil uVision4集成開發(fā)環(huán)境編寫和調試C語言代碼。主要實現的功能有：環(huán)模轉動定位控制部分、深孔鉆削控制部分、控制面板部分3大部分。系統流程為：首先是系統初始化、其次是選擇鉆孔類型，即：選擇數控鉆床控制面板上的定位、擴孔、鉆孔，然后對應的分別輸入擴孔深度和鉆孔深度，再用數字鍵輸入相應的參數(鉆孔的深度、鉆孔的速度、一圈鉆孔的個數)進而控制步進電機驅動器驅動步進電機帶動環(huán)模轉動和控制伺服電機驅動器驅動伺服電機控制鉆頭上下運動。且用數碼管顯示出轉動速度、鉆孔速度、打孔次數、鉆孔深度；進而達到對深孔加工中的鉆頭扭矩進行實時監(jiān)測及參數修改，具體的系統軟件總體流程圖，如圖10所示。

圖10系統軟件總體設計流程

5 系統測試

　　在系統焊接完后調試之前，必須用萬用表對其進行精確度驗證，否則測試結果不可信。將單片機CLK腳接入示波器TDS2012上，觀察是否有正弦波，若有正弦波顯示則證明晶振起振，單片機開始工作。

　　步進電機和伺服電機是否能夠轉動，主要測試單片機能否產生準確的PWM波形，將編好的產生PWM波形的C語言代碼通過STC系列單片機的程序燒錄軟件STC—ISP燒錄到單片機中，將PWM輸出引腳接入示波器，觀察是否有PWM波形產生，圖11和圖12為所測試到的PWM波形。

　　測試結果表明：單片機輸出的PWM波形正常，通過示波器測出來PWM波形雖有一定紋波，但已達到預期的效果，因此數據正常。

6 結論

　　本文介紹了一種通用性強，能夠實時監(jiān)測鉆頭進而實時修改控制參數控制伺服電機帶動鉆頭縱向進給，調整鉆頭的進退刀量，同時控制步進電機帶動工件轉動以實現孔的定位、且具有數據修改、顯示等功能；由于采用PLC作為主控制器，故適合于環(huán)境比較惡劣的工業(yè)生產中，該控制器克服了人工鉆孔的缺點，使得定位、鉆孔全部實現了自動化，且由于采用高性能的單片機作為PLC的CPU模塊，故使得成本大大降低，提高了效益，具有很好的應用前景。