1、前言
我們都知道，使用傳統的普通平頭設備的進行工件的平頭操作，平頭面的光滑度和平面度，會受到刀具的精確程度以及操作人員的熟練程度等諸多因素的影響。鑒於存在這種問題，我們研製了數控平頭機，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，從而充分保證平頭質量。
2、控制要求
數控平頭機控制要求為：
（1）控制系統應可調整刀頭加工程序；
（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，加工時的進刀曲線如圖2所示；
（3）主軸轉速應可調節，且範圍應寬廣；
（4）加工精確度高，加工材料平面的光滑度要求為Ra≤1.6μm；
（5）定尺尺寸精度：±0.5mm
圖1 空程時進刀曲線
圖2 加工時進刀曲線
3、系統的硬體設計
根據系統的控制要求配置硬體如下：
可編程式控制制器：1個西門子公司的S7-200系列CPU222PLC；
人機界面：1個DP210；
外設：2個步進電動機、2個步進電機驅動器、2個三相電動機、1台變頻器、1個EM222、8個電磁開關、4個光電感測器和1個霍爾感測器。
3.1 系統的I/O點分配
由硬體結構圖可知,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,分配情況見下表1和表2：
表1 輸入端子分配表
表2 輸出端子分配表
3.2 控制器
系統的關鍵的設備部分是PLC。PLC是以單片機為核心專門用於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作為控制的核心，利用CPU222的2路獨立的20KHz的高速脈衝輸出來控制步進電動機的運動。此高速脈衝信號不能直接驅動步進電動機，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個感測器相連接，用來判斷步進電機的位置、工件的位置、刀頭的位置。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本機有一個通訊口，為標準的RS-485借口，在PLC與上位機進行通訊時需將RS-485介面轉換成標準的RS-232介面，可以採用四門子提供的隔離型PLC/PPI電纜進行轉換。該電纜有撥碼開關可以進行設置。在上位几上將控制軟體編寫好后，通過此線下載程序並監視程序的運行情況。為了降低成本，在程序調試好以後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。本系統選擇是DP210操作面板。
3.3 系統的外設
根據系統對刀具加工精度的高要求，選用步進電機來控制加工程序。步進電機可以精確到一個脈衝，在本系統中一個脈衝的精度是0.005mm。步進電機驅動器用於驅動步進電機,從而控制刀頭的動作,完成平頭。步進電機驅動器接收到PLC的信號,包括CP步進脈衝信號,DIR方向信號,FREE離線信號,經過其內部的功放電路和處理電路后輸出到後面連接的兩相步進電機。步進電機根據信號的編號來產生相應的動作。電磁閥直接接受來自PLC的控制信號產生動作。另外,PLC直接接受感測器的信號,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。本系統中變頻器採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、系統的軟體設計
系統的軟體包括人機交互界面DP210程序和系統的主控程序。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轉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刀頭工作的控制。主程序的流程圖如圖3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4，控制電機方向的程序如圖5。
圖3 主程序流程圖
圖4 1#步進電機啟動程序
圖5 1#步進電機方向選擇程序（2#步進電動機的運動控制類似1#步進電動機）
5、結束語
本文所設計的系統操作簡單，加工產品範圍廣，加工精度高，已經成功應用於生產實踐中。該平頭機目前已經在某材料生產廠進行規則幾何體的平頭。自從開始生產以來，該系統運行穩定，產品質量顯著提高，廢品率明顯下降。同時，極大的減輕了操作人員的勞動強度，提高了生產效率，還可以用於其它器件的平頭。此外，我們設計一定範圍內的刀頭尺寸以適應不同工件尺寸的平頭動作，且具有可更換功能。
