CN109634218A - 一种具有自学习功能的多轴智能钻床控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钻床技术领域，具体涉及一种具有自学习功能的多轴智能钻床控制系统，它包括安装在钻床上的X轴、Y轴、Z轴、主轴和人机界面；所述X轴与步进电机一相连；所述Y轴与步进电机二相连；所述人机界面和PLC控制器相连，主要用于人机信息交互，在人机界面上可以监控各轴运动的状态，也可以控制各轴运动；对于已知各孔加工尺寸的，可以直接在人机界面上输入各孔位置坐标和加工孔的深度，通过一键启动即可完成自动加工，如果不知道各孔加工尺寸和位置坐标，可以利用手动模式移动X轴、Y轴、Z轴对样板工件中的各孔做数据测量，系统能保存各孔数据坐标，然后通过人机界面一键启动完成加工操作，整个机器操作简单，工作效率高。

Description

一种具有自学习功能的多轴智能钻床控制系统

【技术领域】

本发明涉及钻床技术领域，具体涉及一种具有自学习功能的多轴智能钻床控制系统。

【背景技术】

现在的钻孔设备有手电钻，台钻、摇臂钻，还可以用数控铣床、多轴加工中心也可以做钻孔加工。手电钻、台钻、摇臂钻等操作方便，但不能准确加工，每个孔都要对刀，不能一次多孔连续加工，效率很低。

如果采用铣床、多轴加工中心进行钻孔加工，可以做到准确控制，但是需要专业人员进行编程，如果没有图纸，不知道要加工孔的位置坐标和要加工孔的深度，还要进行测绘再进行编程，工作量就非常大了，如果要进行大批量加工，效率也比较低，而且设备价格昂贵。

【发明内容】

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种具有自学习功能的多轴智能钻床控制系统，它通过PLC控制X轴、Y轴、Z轴和主轴，用组态王软件或者西门子触摸屏做人机界面(本设计是采用组态王软件设计人机界面)，能够在人机界面直接输入各孔坐标尺寸即可加工，且能够利用手动模式移动X 轴、Y轴、Z轴对样板工件中的各孔做数据测量，保存测量的数据后也可直接通过人机界面进行加工操作，简化操作流程，极大地提高工作效率。

本发明所述的一种具有自学习功能的多轴智能钻床控制系统，它包括安装在钻床上的X轴、Y轴、Z轴和主轴及人机交互的人机界面设计；

所述X轴与步进电机一相连；所述Y轴与步进电机二相连；所述Z轴与伺服电机相连；所述主轴与主轴电机相连，该主轴电机采用西门子G120变频器控制；所述步进电机一、步进电机二、伺服电机、主轴电机、人机界面分别PLC 控制器一相连；

其控制X轴、Y轴的步骤如下：

步骤一：通过MC_Power指令启动X轴或Y轴；

步骤二：通过MC_Movejog控制X轴或Y轴点动，用于X轴或Y轴左移或右移，执行X轴或Y轴对刀；

步骤三：MC_Home指令执行X轴或Y轴回原点；

步骤四：用MC_MoveAbsolute指令通过“开始加工”命令使X轴或Y轴移动到1孔坐标；

步骤五：得到主程序输出的“1孔加工完成”后，用MC_MoveAbsolute指令命令X轴或Y轴移动到2孔坐标；

步骤六：得到主程序输出的“2孔加工完成”，用MC_MoveAbsolute指令命令X轴或Y轴移动到3孔坐标，

步骤七：得到主程序输出的“3孔加工完成”，用MC_MoveAbsolute指令命令X轴或Y轴移动到4孔坐标；

步骤八：得到主程序输出的“4孔加工完成”，用MC_MoveAbsolute指令命令X轴或Y轴移动到原点坐标；

步骤九：使用MC_Halt指令控制X轴或Y轴停止，或用MC_Reset指令控制 X轴或Y轴复位；

其控制Z轴的步骤如下：

步骤一：调用程序块FB284；

其中，选择控制模式为7，执行点动模式；

选择控制模式为2，执行绝对位置控制模式；

选择控制模式为5，切换回原点模式，设置Z轴原点；

步骤二：选择步骤一中的控制模式7，执行点动模式中，JOG1退刀控制， JOG2进刀控制；

步骤三：选择步骤一中的控制模式2，执行绝对位置控制模式中，到达1 孔时，把1孔深度数据传给当前Z轴定位目标，Z轴启动，开始钻孔；

步骤四：延时500毫秒，更改Z轴定位目标为0，为退刀做准备；

步骤五：1孔退刀完成，给信号X轴、Y轴，启动X、Y轴移动，到下一孔位置；

步骤六：重复步骤一到步骤五，直到把所有孔参数执行完成，X轴、Y轴回到原点；

步骤七：如果选择步骤一中的模式5，切换回原点模式，Z轴可以在任何状态下回到原点，确保加工安全。

系统主程序结构：包含X轴控制子程序、Y轴控制子程序、Z轴控制子程序、系统自学习子程序共四个子程序，以及产生各孔到达信号程序、各孔加工完成信号程序，各孔加工时间运算程序；孔到达信号、孔完成信号、和孔加工时间运算主要是用于当一孔加工完成自动切换到下一孔控制所需要的控制信息。这样就能完成一键启动，系统自动完成全部加工，完成后系统自动回到原点，等待下一命令；采用如下步骤：

步骤一：在人机界面上全部录入各孔位置坐标和孔深度数据后，按下“开始加工”命令，系统调用X轴、Y轴，移向第一个孔，当到达该位置时，定位完成，产生“1孔到达”信号。

步骤二：“1孔到达”信号用于启动Z轴子程序，同时启动主轴，开始往下钻孔，往下钻孔完成后，Z轴返回原点，在这个过程中，主程序会执行“孔加工时间运算”程序，产生延时，当延时时间到，产生“1孔完成”信号。

步骤三：系统得到“1孔完成”信号，再次调用X轴、Y轴子程序，向2孔移动，如此循环步骤一和步骤三，把所有设置要加工孔坐标全部完成，最后回到原点，完成自动加工过程，等待下一个命令。

步骤四：如果不知道各孔坐标，把X轴、Y轴、Z轴切换到手动模式，同时调用系统字学习子程序，读取各孔坐标，然后再执行步骤一到步骤三，完成自动加工过程。

进一步地，所述伺服电机为西门子V90-PN伺服电机。

进一步地，所述PLC控制器一采用西门子S7-1200PLC控制器。

采用上述结构后，本发明有益效果为：本发明所述的一种具有自学习功能的多轴智能钻床控制系统，它通过PLC控制X轴、Y轴、Z轴和主轴，以组态王软件或西门子触摸屏为人机界面，它具有能够在人机界面直接输入各孔坐标尺寸即可加工，且能够利用手动模式移动X轴、Y轴、Z轴及调用系统自学习子程序对样板工件中的各孔做数据测量，保存测量的数据后也可直接通过人机界面进行加工操作，简化操作流程，极大地提高工作效率。

【附图说明】

此处所说明的附图是用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，但并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1是本发明的控制系统硬件组成结构示意图；

图2是本发明的人机交互界面示意图；

图3是本发明的X轴或Y轴程序控制流程图；

图4是本发明的Z轴控制流程图；

图5是本发明的控制系统主程序结构图。

图6-图21是本发明的主程序的程序段1-程序段16图；

图22-图42是本发明的X轴控制子程序的程序段1-程序段21图；

图43-图63是本发明的Y轴控制子程序的程序段1-程序段21图；

图64-图67是本发明的系统自学习读取坐标程序的程序段1-程序段4图。

【具体实施方式】

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1所示，本具体实施方式所述的一种具有自学习功能的多轴智能钻床控制系统，它包括安装在钻床上的X轴、Y轴、Z轴、主轴及人机交互界面；

所述X轴与步进电机一相连；所述Y轴与步进电机二相连；所述Z轴与伺服电机相连；所述主轴与主轴电机相连，该主轴电机由西门子G120变频器控制；所述步进电机一、步进电机二、伺服电机、主轴电机分别通过步进驱动器、V90 伺服驱动器、G120变频器与PLC控制器一相连，受PLC控制；所述人机界面和 PLC控制器相连，主要用于人机信息交互，在人机界面上可以监控各轴运动的状态，也可以控制各轴运动；

如图3所示，其控制X轴、Y轴的步骤如下：

步骤一：通过MC_Power指令启动X轴或Y轴；

步骤二：通过MC_Movejog控制X轴或Y轴点动，用于X轴或Y轴左移或右移，执行X轴或Y轴对刀；

步骤三：MC_Home指令执行X轴或Y轴回原点；

步骤四：用MC_MoveAbsolute指令通过“开始加工”命令X轴或Y轴移动到1孔坐标；

步骤五：得到主程序输出的“1孔加工完成”后，用MC_MoveAbsolute指令命令X轴或Y轴移动到2孔坐标；

步骤六：得到主程序输出的“2孔加工完成”，再用MC_MoveAbsolute指令命令X轴或Y轴移动到3孔坐标，

步骤七：得到主程序输出的“3孔加工完成”，用MC_MoveAbsolute指令命令X轴或Y轴移动到4孔坐标；

步骤八：得到主程序输出的“4孔加工完成”，用MC_MoveAbsolute指令命令X轴或Y轴移动到原点坐标；

步骤九：使用MC_Halt指令控制X轴或Y轴停止，或用MC_Reset指令控制 X轴或Y轴复位；

如图4所示，其控制Z轴的步骤如下：

步骤一：调用程序块FB284；

其中，选择控制模式为7，执行点动模式；

选择控制模式为2，执行绝对位置控制模式；

选择控制模式为5，切换回原点模式，设置Z轴原点；

步骤二：选择步骤一中的控制模式7，执行点动模式中，JOG1退刀控制， JOG2进刀控制；

步骤三：选择步骤一中的控制模式2，执行绝对位置控制模式中，到达1 孔时，把1孔深度数据传给当前Z轴定位目标，Z轴启动，开始钻孔；

步骤四：延时500毫秒，更改Z轴定位目标为0，为退刀做准备；

步骤五：1孔退刀完成，给信号X轴、Y轴，启动X、Y轴移动，到下一孔位置；

步骤六：重复步骤一到步骤五，直到把所有孔参数执行完成，X轴、Y轴回到原点；

步骤七：如果选择模式5，切换回原点模式，Z轴可以在任何状态下回到原点，确保加工安全。

如图5所示，系统主程序结构：包含X轴控制子程序、Y轴控制子程序、Z 轴控制子程序、系统自学习子程序共四个子程序，以及产生各孔到达信号程序、各孔加工完成信号程序，各孔加工时间运算程序；孔到达信号、孔完成信号、和孔加工时间运算主要是用于当一孔加工完成自动切换到下一孔控制所需要的控制信息。采用如下步骤：

步骤一：在人机界面上全部录入各孔位置坐标和孔深度数据后，按下“开始加工”命令，系统调用X轴、Y轴，移向第一个孔，当到达该位置时，定位完成，产生“1孔到达”信号。

步骤二：“1孔到达”信号用于启动Z轴子程序，同时启动主轴，开始往下钻孔，往下钻孔完成后，Z轴返回原点，在这个过程中，主程序会执行“孔加工时间运算”程序，产生延时，当延时时间到，产生“1孔完成”信号。

步骤三：系统得到“1孔完成”信号，再次调用X轴、Y轴子程序，向2孔移动，如此循环步骤一和步骤三，把所有设置要加工孔坐标全部完成，最后回到原点，完成自动加工过程，等待下一个命令。

步骤四：如果不知道各孔坐标，把X轴、Y轴、Z轴切换到手动模式，同时调用系统字学习子程序，读取各孔坐标，然后再执行步骤一到步骤三，完成自动加工过程。

进一步地，所述伺服电机为西门子V90-PN伺服电机。

进一步地，所述PLC控制器一采用西门子S7-1200PLC控制器。

本控制系统一共有四轴，X轴、Y轴、Z轴和主轴。

其中：X轴、Y轴不需要高速运转，所以可以选择步进电机，硬件成本低，通过PLC发脉冲方式进行控制，Z轴是控制孔的加工深度，要求精度比较高，采用西门子V90-PN伺服，由PLC通过以太网进行控制；主轴控制刀具旋转，用西门子G120变频器控制普通电机即可，控制器可以选用西门子S7-1200的PLC，既能发脉冲进行定位控制，又能通过以太网通信方式控制伺服电机；人机交互可以选用组态王或触摸屏。系统结构如图1所示。

如图2所示为人机交互界面设计，本发明中的人机界面设置，选择组态王来做，组态王自带了和西门子S7-1200的驱动，直接组态就可以，只要设置好 IP地址即可，通信非常方便。人机界面主要是用于对设备进行操控、输入相关参数及监控设备运行状态，还能动态实时反映加工的情况。

其中：操控界面设计图左边，可以动态反映X轴、Y轴移动情况，右边上部分是按钮和指示灯，其中X轴对刀、Y轴对刀、Z轴对刀用于选择操作对应轴的左移、右移、上移、下移、进刀、退刀分别是用于控制对应轴的不同方向移动；X轴回原点、Y轴回原点、Z轴回原点用于控制各轴回原点，然后还有6个按钮分别用于控制各轴停止和复位，对应三个指示灯用来说明各轴故障报警情况，对应轴如果有报警，指示灯会亮，然后通过对应的复位按钮进行故障复位；按下开始加工按钮，系统自动开始加工；中间三排数字显示，用来显示3个轴当前移动的位置和速度。下面白色列表，是用于设置各个加工孔对应坐标及孔的深度，如果待加工的工件有图有尺寸，直接从列表输入孔的坐标和加工深度。

系统的自学习功能：如果只有待加工样板工件，各孔没有尺寸坐标数据，则可以通过手动方式移动X轴、Y轴、Z轴对各孔进行对刀测量，各孔的坐标会在列表中显示，按下“读孔坐标”按钮，就能记录当前孔的坐标，形成系统的自学习功能，坐标对完后，按下“开始加工”，机器开始执行，直到全部孔加工完成，对应指示灯变成绿色，各坐标轴回到原点位置，换下一个工件继续加工。

本发明以加工四个孔为例，来陈述其工作原理：

一、本发明中X轴控制子程序原理说明如下：

本发明中X轴控制子程序[FC1](程序段1-程序段21，图22-图42)：

程序段1：是通过MC_Power调用X轴，其中M1.2为“Always TRUE”就是 PLC运行时一直处于接通状态，所以就一直调用该轴；“Enable”是指令使能，用M1.2使该轴一直处于激活状态。M20.0表示轴运行的状态，M20.1表示轴是忙还是闲，如果轴在运行，该位为0N，M10.0表示轴是否有故障，有故障为ON，没有故障为OFF；

程序段2：是通过MC_MoveJog指令控制轴点动，也即对刀状态，如果需要对刀，按下人机界面X轴对刀按钮，则M2.0接通，MC_MoveJog指令运行，按下右移按钮，即M2.2接通，X轴右移，按下左移按钮，即M2.1接通，X轴左移。“Velocity”是设置点动速度，程序中是设置50，即50mm/s；

程序段3：是通过MC_Home执行回原点，该指令一直在运行状态，如果需要回原点，按下X轴回原点按钮，激活改指令，执行回原点，原点位置为0，回零模式(Mode)也为0；

程序段4：通过MC_MoveAbsolute指令执行绝对运动控制模式，当回原点结束后，就可以执行该指令，第一次移动的目标是第一孔坐标，所以“Position”中MD124是1孔坐标，1孔坐标可以是直接输入，也可以是系统自学习所得，和人机界面中1孔坐标相连。“Velocity”是移动的速度，即80.0mm/s。通过人机界面中开始加工按钮，即M5.0或者I0.4激活改指令，X轴从原点位置移向1孔坐标；

程序段5、6、7、8都是通过MC_MoveAbsolute指令执行绝对运动控制，当一孔加工完成后，通过主程序产生了“1孔加工完成”标记，X轴就通过程序段 5移到2孔，当“2加工孔完成”后，就通过程序段6移动到3孔，当“3孔加工完成”后，就通过程序段7移到4孔，当“4孔加工完成”后，就通过程序段8回到0点，如果机器需要连续加工更多的孔，那就把这段程序延长，程序结构都是上一个孔加工完成标志，激活下一段程序，使X轴移动到下一个孔，最后一个孔回到0点。由于Y轴结构也是这样，那么当X轴、Y轴同时移动，就能到达目标孔的位置。所以这一段程序中，程序结构一样，就是激活条件不同，移动目标不同。“Position”表示移动目标位置，“Velocity”表示移动的速度；

程序段9、10、11是通过MOVE指令，用于显示轴当前的速度、位置和具体目标的位置，通过界面中X轴当前位置窗口和X轴当前速度窗口显示出来，所以人机操作界面，能实时反映坐标轴移动的情况；

程序段12、13、14、15中的M40.0、M40.2、M40.4、M40.6分别是坐标轴移动到1孔、2孔、3孔、4孔时的完成标志，利用这4个完成标志，对M80.0、 M80.1、M80.2、M80.3进行置位，当X轴到达这些位置后，这4个寄存器就一直接通，准备启动Z轴运行开始钻孔。

程序段16、17、18、19，当4孔分别完成后，主程序就产生钻孔完成标志，分别是M90.4-1孔加工完成、M90.5-2孔加工完成、M90.6-3孔加工完成、M90.7-4 孔加工完成，分别对M80.0、M80.1、M80.2、M80.3进行复位。钻孔程序结束；

程序段20：用于控制X轴停止，该指令一直调用，在加工过程中，如果遇到某些以外情况，随时可以使轴停止，按下人机界面中的“X轴停止”，也即程序中的M2.5，激活停止程序，X轴停止；

程序段21是对X轴故障进行复位，当轴运行中报故障时，轴就不能运行了，所以按下X轴故障复位按钮，也即M2.3，对轴进行复位，恢复轴运行状态。

二、本发明中Y轴控制子程序原理说明

本发明中Y轴控制子程序[FC2](程序段1-程序段21，图43-图63)，控制原理和X轴控制原理一样，不在赘述。

三、本发明中Z轴控制子程序原理说明：

本发明中，Z轴控制子程序[FC3](程序段1一程序段20，图64-图83)。

Z轴是采用西门子V90-PN伺服系统，控制程序主要是调用FB284，FB284 是西门子S7-1200用于控制V90-PN伺服系统，要求选择111报文进行控制，可以控制伺服的8种运动模式，“ModePos”用于模式选择，在本工程中，我们只需要三种模式，分别是ModePos＝7，执行点动控制模式，用于Z轴对刀；当 ModePos＝5，回零模式，当执行该模式时，就可以把Z轴的当前位置作为0点；当ModePos＝2，执行绝对位置控制模式，主要是用于控制Z轴进刀和退刀。下面我们详细介绍Z轴控制程序：

程序段1是调用FB284，是Z轴控制的核心，如果要做Z轴对刀控制，按下控制界面上的Z轴对刀按钮，则对应程序段2中的M4.0接通，把数字7传到 MW500，修改控制模式为点动，同时在程度段3上接通M600.1，伺服使能，按下退刀按钮和进刀按钮，对应FB284中的Jog1-M4.2，Jog2-M4.1接通，Z轴可以点动运行；

程序段3用于控制Z轴伺服使能，只要需要Z轴运行，使能端“off1”必须处于接通状态，所以程序中把M4.0、M4.4、M600.2并联控制M600.1伺服使能。如果要停止Z轴的话，必须把伺服使能信号断开，因此用M4.5作为Z轴停止信号断开。程序段4用于控制Z轴回原点，当按下Z轴回原点按钮，对应 M4.4接通，把5写入到MW500，控制模式切换到回零。同时在程序段7中接通了M1000.6，在程序段8中接通了M1010.0，在程序段10中，接通M1010.5，激活了FB284中的“Execute”端，马上执行回0，把当前Z轴位置作为0点，这样设计的好处是在加工对刀的时候，操作者可以根据实际情况设置0点；

当Z轴执行完了回原点，就可以进入加工状态，推进刀具进刀或者退刀，切换到绝对控制模式，绝对控制模式不需要人工切换，当在加工状态时，X轴、 Y轴移动到孔的位置时，就自动接通M600.2、M600.3，见程序段6，M600.2在程序段5中把2传递给MW500，把系统切换到绝对位置控制，同时在程序段1 的FB284中接通RejTrvTsk和IntMStop，这两个参数在绝对运行中要置1，伺服处于准备运行状态，只等Execute端来一个上升沿，Z轴伺服电机便启动。这个信号依靠程序段7、8、9、10完成；

在程序段7中，当到达各孔位置后或执行完回原点，驱动M1000.6，M1000.6 利用上升沿指令产生一个上升沿脉冲M1010.0，这个M1010.0驱动M1010.5，就激活了Execute，Z轴伺服运行。同时当Z轴钻孔达到设定的深度后，由于需要退刀，回到0位，所以还利用Z轴的完成标记M600.5在程序段9中产生上升沿信号M1010.1，M1010.1在程序段10中驱动M1010.5，激活了Execute，Z轴就可以执行退刀。在伺服驱动中，如果改变了定位目标，需要激活Execute信号才有效；

程序段11、12、13、14四段程序结构一样，主要是用于设置Z轴定位目标，每段由三行程序组成，当到达孔位置时，把MD704、MD714、MD724、MD734通过 MOV指令给到MD502，其中MD704、MD714、MD724、MD734是设定钻孔深度的，在人机界面中设定，MD502是给定Z轴当前需要行走的目标，在FB284中的 Position参数。给定了Z轴进刀目标后，再延时500ms，驱动一个信号，再次修改MD502的值，使这个值为0，是用于设定Z轴退刀位置。当相应Execute 信号激活，目标位置就起作用了；

程序段15-20是做LU和毫米之间的转换，在伺服系统中，是LU为单位， LU的大小和伺服参数中设置有关，在我们这个控制系统中，是设置转动一周为 1000个LU，但是我们人机界面上，我们用的是毫米为单位，所以我们设置的目标给系统运行时，要转换成LU，所以利用程序中做了乘法。系统读出的数据是 LU为单位，我们要把到转换到毫秒呈现，所以要做除法。

四、本发明中系统自学习控制程序的原理如下：

本系统自学习读取坐标[FC4](程序段1-程序段4，图84-图87)。系统执行了回原点后，再执行手动控制模式，当各坐标移动时，PLC有当前位置的数据，我们只要设计一个按钮，读取这些数据，然后保存到寄存器中，就能记录各孔坐标功能，也就完成了自学习功能。程序段1中M603.0读1孔坐标，对应界面上的读取坐标按钮，当该按钮接通是，M603.0接通过，这段程序运行，就把X轴当前位置MD100当前位置写入到MD124中，Y轴当前位置MD108写入到MD128中，Z轴的当前位置MD518写入到MD704当中，在界面列表中就可以看到对应的数据。其他3段程序分别读取2孔坐标、3孔坐标、4孔坐标，原理一样，不再赘述。

五、本发明中系统主程序控制原理

本发明中控制主程序(程序段1-程序段16，图6-图21)：

X轴、Y轴、Z轴、自学习控制都通过各自子程序完成，但必须通过主程序调用才能执行，所以主程序相对来说就比较简单，主要是调用子程序，同时产生孔到达信号、孔加工完成信号和计算各孔加工时间的程序。

程序段1是调用X轴控制子程序，程序段2是调用Y轴控制子程序，程序段3调用Z轴控制子程序，程序段4是调用读取各孔坐标子程序，也即系统的自学习功能。这样各子程序就可以运行。

程序段5、6、7、8是产生到达各孔到达位置信号，其中程序段5中，M70.0 是X轴到达1孔位置，是在子程序1中产生的；M80.0是Y轴到达1孔位置，是在Y轴主程序中产生，只有当X轴、Y轴都到达了，才产生M90.0，就是1孔到达位置，这个信号用以驱动Z轴。那么其他孔的到达位置产生原理一样。分别在程序段程序段6、7、8，不再赘述。

程序段9-16是用于生成钻孔完成信号，主要是利用时间延时进行，但是各孔深度不同，需要时间也不同，所以这个延时时间需要根据孔的深度和进刀速度进行计算。程序段9-12是产生4个孔完成信号，当到达加工位置时，延时时间分别是#TIME1、#TIME2、#TIME3、#TIME4，时间到就产生了M90.4-1孔加工完、M90.5-2孔加工完、M90.6-3孔加工完、M90.7-4孔加工完。所以关键是#TIME 时间的设定，本程序中这个时间的产生，是把孔的深度乘以1400进行计算所得。这个数据是根据深度和速度大概测算，在设备装调时，还需要微调，但是这个参数不允许用户调试，否则和容易出错，只能是系统工程师才能进行调整。

六、本系统具有三大功能：

其中，功能一：对于有图纸、有尺寸待加工工件，在操作界面上直接输入各孔坐标尺寸，无需掌握专业的加工编程，一键启动即可完成；具体操作步骤如下：

在人机界面上设置了一个白色列表，是用于设置各个加工孔对应坐标及孔的深度，如果待加工的工件有图有尺寸，直接从列表输入孔的坐标和加工深度。然后按开始加工，就能对工件进行自动加工，加工完成后，各轴回到原点，等待加工下一个工件。具体实施步骤如下：

步骤一：在人机界面上输入各孔坐标。点人机界面对应列表位置，会自动跳出数据输入键盘，对照图纸输入该点坐标值，比如1孔，输入1孔对应的X 轴坐标、Y轴坐标、孔深度三个数据，系统会把数据保存在“1孔X坐标MD124”、“1孔Y坐标MD128”、“1孔深度MD132”；同理2孔、3孔、4孔分别存入对应的数据存储器，“2孔X坐标MD136”、“2孔Y坐标MD140”、“2孔深度 MD144”；“3孔X坐标MD148”“3孔Y坐标MD152”、“3孔深度MD156”；“4孔X坐标MD160”、“4孔Y坐标MD164”“4孔深度MD168”。

步骤二：操作X轴、Y轴、Z轴回原点。X轴回原点操作，点击人机界面“X 轴回原点”，系统会执行“X轴控制子程序[FC1]”中的程序段3，“X轴设置原点M2.4”会接通，运行MC_Home指令，则X轴回到原点。同理当点击人机界面“Y轴回原点”，系统会执行“Y轴控制子程序[FC2]”中的程序段3，“Y轴设置原点M3.4”会接通，运行MC_Home指令，则Y轴回到原点。当点击人机界面“Z轴回原点”，系统会执行“Z轴控制子程序[FC3]”中的程序段3中的“Z 轴回原点M4.4”会接通，Z轴的控制模式切换到5(回原点模式)，再运行该子程序的程序段1，Z轴回到原点。

步骤三：按下“开始加工”按钮，X轴、Y轴移到1孔位置。当执行完回原点后，按下人机界面“开始加工”按钮，系统会执行“X轴控制子程序[FC1]”中的程序段4，“开始加工M5.0”会接通，执行MC_MoveAbsolute指令，X轴移向1孔坐标位置。同理，系统会执行“Y轴控制子程序[FC2]”中的程序段4， Y轴移向2孔坐标位置。

步骤四：当到达1孔位置时开始钻1孔。当X轴移到1孔，X轴完成标志M40.0 接通(X轴控制子程序[FC1]程序段4)，再置位M80.0(X轴控制子程序[FC1] 程序段12)；Y轴完成标志M30.5接通(Y轴控制子程序[FC2]程序段4)，再置位M70.0(Y轴控制子程序[FC2]程序段12)；当X轴、Y轴都到达1孔了，由M70.0和M80.0串联驱动M90.0，现成达到1孔到达标志(主程序程度段5)， 1孔到达标志M90.0再驱动“绝对运行条件1M600.2”和“绝对运行条件2M600.3” (Z轴控制子程序[FC3]程序段6)，再驱动“伺服使能M600.1”(Z轴控制子程序[FC3]程序段3)，同时把1孔要加工的深度的信息MD704传递给MD502(Z 轴控制子程序[FC3]程序段11)，系统运行Z轴控制子程序[FC3]的程序段1，开始钻1孔。

步骤五：钻完1孔完成退刀。当到达1孔信号M90.0接通，把1孔要钻的深度数据传递给MD502，使刀具往下钻孔，同时启动一个定时器，延时500ms，把钻孔目标位置修改为0，所以当钻孔深度到达后，Z轴就自动反转，退回原点0 的位置，完成退刀，准备钻下一个孔。(见Z轴控制子程序[FC3]程序段11)

步骤六：1孔加工完成，开始加工2孔。当到达1孔时，系统会根据1孔设置的深度，Z轴转动的速度，计算1孔加工大约需要的时间(见主程序程序段13)，然后启动定时器按这个计算出来的时间延时，当这个时间到时，1孔加工完成，产生“1孔加工完成M90.4”信号(见主程序程序段9)，Z轴退回到了原点，X轴、Y轴移向2孔坐标，执行原理和加工1孔类似，当所有孔加工完成后，系统回到原点。

其中，功能二：对于无图纸、无尺寸只有样板工件的待加工工件，系统有自学习功能，直接利用手动模式移动X轴、Y轴、Z轴对样板工件各孔做一次测量，系统可以保存测量的数据。然后一键启动即可按顺序完成批量加工。具体操作步骤如下：

步骤一：X轴、Y轴、Z轴执行回原点。X轴回原点操作，点击人机界面“X 轴回原点”，系统会执行“X轴控制子程序[FC1]”中的程序段3，“X轴设置原点M2.4”会接通，运行MC_Home指令，则X轴回到原点。同理当点击人机界面“Y轴回原点”，系统会执行“Y轴控制子程序[FC2]”中的程序段3，“Y轴设置原点M3.4”会接通，运行MC_Home指令，则Y轴回到原点。当点击人机界面“Z轴回原点”，系统会执行“Z轴控制子程序[FC3]”，程序段3中的“Z 轴回原点M4.4”会接通，Z轴的控制模式切换到5(回原点模式)，再运行该子程序的程序段1，Z轴回到原点。

步骤二：切换到手动模式，自由移动X轴、Y轴、Z轴。按下人机界面“X 轴对刀”按钮，通过MC_Movejog控制X点动(执行“X轴控制子程序[FC1]”程序段2)；按下人机界面“Y轴对刀”按钮，通过MC_Movejog控制Y轴点动 (执行“Y轴控制子程序[FC2]”程序段2)；按下人机界面“Z轴对刀”，系统选择控制模式7，Z轴执行点动模式中，按“退刀”“进刀”按钮控制Z轴点动(执行“Z轴控制子程序[FC3]”中的程序段1、2、3)。

步骤三：读取各孔坐标。以读取1孔为例：当切换到手到模式时(对刀)， X轴、Y轴、Z轴可以自由移动，把X轴、Y轴移到1孔位置，Z轴伸到1孔内，按下“读1孔坐标M603.0”，执行“系统自学习读取坐标[FC4]”子程序的程序段1，系统就把当前X轴坐标存储在MD124中，Y轴左边存储在MD128中，Z 轴坐标存储MD704中。同理要读取2孔坐标就执行“系统自学习读取坐标[FC4]”程序段2，读取3孔坐标就执行“系统自学习读取坐标[FC4]”程序段3，读取 4孔坐标就执行“系统自学习读取坐标[FC4]”的程序段4，各孔坐标已经记录到系统中，具备自己执行的条件。

步骤四：按下按下“开始加工”按钮，系统开始自动加工，系统执行“功能一”中的步骤三至步骤六。

其中，功能三：如图2所示，非常直观的人机交互界面，整个加工过程设备的各种状态数据都可以在屏幕显示，直接通过屏幕可以对设备进行全部的操作。

1.对刀功能：主要用于控制选择X轴、Y轴、Z轴处于手动控制模式，通过“左移”、“右移”控制X轴运动；“上移”、“下移”控制Y轴运动；“退刀”、“进刀”控制Z轴运动。

2.回原点功能：通过三个按钮“X轴回原点”、“Y轴回原点”、“Z轴回原点”分别控制3个轴执行回原点功能。

3.停止功能：通过三个按钮“X轴停止”、“Y轴停止”、“Z轴停止”分别控制3个轴停止。

4.复位功能：当有故障报警时，可以通过复位功能消除报警，通过三个按钮“X轴故障复位”、“Y轴故障复位”、“Z轴故障复位”分别用于各轴复位功能。

5.报警指示功能：画面设计了3个指示灯，用于指示各轴的报警指示，当某个轴产生报警时，对应轴上的指示灯点亮。

6.工作指示功能：在“开始加工”按钮的上方设计一个指示灯，该灯是工作指示，当钻床正常工作时，指示灯亮绿色。

7.一键自动加工功能：当设置了待加工各孔的坐标或者通过自学习读取了各孔的坐标(X轴坐标、Y轴坐标、孔深度)，然后再执行回原定操作，就可以执行一键自动加工功能，按下界面“开始加工”即可，当把要设置的孔全部加工完成，钻床各种自动回到原点状态，等待下一个工件加工。

8.数字显示功能：人机界面上可以显示当前各轴所处的位置和运动速度，分别通过“X轴当前位置”、“X轴当前速度”显示X轴工作状态；“Y轴当前位置”、“Y轴当前速度”显示Y轴当前速度；“Z轴当前位置”、“Z轴当前速度”显示Z轴当前状态。

9.加工数据输入功能或者数据读取功能：如果是有图纸有尺寸，直接在人机界面上输入各孔坐标即可，无需专业的数控编程操作，如果是没有图纸，不知道尺寸，通过自学习功能，按钮按右侧读取坐标按钮，那么对于的坐标就会在列表中显示。

10.加工状态显示功能：在人机界面左侧，画个一个三轴运动示意图，该图能动态反应各轴运动情况，和实际轴的运动式同步。图中是各轴处于原点状态。

本发明的优点如下：

(1)对于有图纸、有尺寸待加工工件，在操作界面上直接输入各孔坐标尺寸，无需掌握专业的加工编程，一键启动即可完成。

(2)对于无图纸、无尺寸只要样板工件的待加工工件，系统有自学习功能，直接利用手动模式移动X轴、Y轴、Z轴对样板工件各孔做一次测量，系统可以保存测量的数据。然后一键启动即可完成批量加工。

(3)非常直观的人机交互界面，整个加工过程设备的各种状态数据都可以在屏幕显示，直接通过屏幕可以对设备进行全部的操作。

本发明中的各控制系统的PLC程序段如下：

(1)图6-图21是本发明的主程序的程序段1-程序段16图示；

(2)图22-图42是本发明的X轴控制子程序[FC1]的程序段1-程序段21 图示；

(3)图43-图63是本发明的Y轴控制子程序[FC2]的程序段1-程序段21 图示；

(4)图64-图83是本发明的Z轴控制子程序[FC3]的程序段1-程序段20 图示；

(5)图84-图87是本发明的系统自学习读取坐标程序的程序段1-程序段 4图示。

本发明所述的一种具有自学习功能的多轴智能钻床控制系统，它通过PLC 控制X轴、Y轴、Z轴和主轴，以组态王或触摸屏设计的人机界面；它具有能够在人机界面直接输入各孔坐标尺寸即可加工，且能够利用手动模式移动X轴、Y 轴、Z轴对样板工件中的各孔做数据测量，保存测量的数据后也可直接通过人机界面进行加工操作，简化操作流程，极大地提高工作效率。

以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims (3)

1.一种具有自学习功能的多轴智能钻床控制系统，其特征在于：它包括安装在钻床上的X轴、Y轴、Z轴和主轴；所述X轴与步进电机一相连；所述Y轴与步进电机二相连；所述Z轴与伺服电机相连；所述步进电机一、步进电机二、伺服电机、主轴电机分别通过步进驱动器、V90伺服驱动器、G120变频器与PLC控制器一相连，受PLC控制器控制；

其控制X轴、Y轴的步骤如下：

步骤一：通过MC_Power指令启动X轴或Y轴；

步骤二：通过MC_Movejog控制X轴或Y轴点动，用于X轴或Y轴左移或右移，执行X轴或Y轴对刀；

步骤三：MC_Home指令执行X轴或Y轴回原点；

步骤四：用MC_MoveAbsolute指令通过“开始加工”命令使X轴或Y轴移动到1孔坐标；

步骤五：得到主程序输出的“1孔加工完成”后，用MC_MoveAbsolute指令命令X轴或Y轴移动到2孔坐标；

步骤六：得到主程序输出的“2孔加工完成”，再用MC_MoveAbsolute指令命令X轴或Y轴移动到3孔坐标，

步骤七：得到主程序输出的“3孔加工完成”，用MC_MoveAbsolute指令命令X轴或Y轴移动到4孔坐标；

步骤八：得到主程序输出的“4孔加工完成”，用MC_MoveAbsolute指令命令X轴或Y轴移动到原点坐标；

步骤九：使用MC_Halt指令控制X轴或Y轴停止，或用MC_Reset指令控制X轴或Y轴复位；

其控制Z轴的步骤如下：

步骤一：调用程序块FB284；

其中，选择控制模式为7，执行点动模式；

选择控制模式为2，执行绝对位置控制模式；

选择控制模式为5，切换回原点模式，设置Z轴原点；

步骤二：选择步骤一中的控制模式7，执行点动模式，JOG1退刀控制，JOG2进刀控制；

步骤三：选择步骤一中的控制模式2，执行绝对位置控制模式，到达1孔时，把1孔深度数据传给当前Z轴定位目标，Z轴启动，开始钻孔；

步骤四：延时500毫秒，更改Z轴定位目标为0，为退刀做准备；

步骤五：1孔退刀完成，给信号X轴、Y轴，启动X、Y轴移动，到下一孔位置；

步骤六：重复步骤一到步骤五，直到把所有孔参数执行完成，X轴、Y轴回到原点；

步骤七：如果选择模式5，切换回原点模式，Z轴可以在任何状态下回到原点，确保加工安全；

系统主程序结构：包含X轴控制子程序、Y轴控制子程序、Z轴控制子程序、系统自学习子程序共四个子程序，以及产生各孔到达信号程序、各孔加工完成信号程序，各孔加工时间运算程序；孔到达信号、孔完成信号、和孔加工时间运算主要是用于当一孔加工完成自动切换到下一孔控制所需要的控制信息。

2.根据权利要求1所述的一种具有自学习功能的多轴智能钻床控制系统，其特征在于：所述Z轴伺服电机为西门子V90-PN伺服电机。

3.根据权利要求1所述的一种具有自学习功能的多轴智能钻床控制系统，其特征在于：所述控制器一采用西门子S7-1200 PLC控制器。