PLC 在CGJ-100 銑切機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

張永聰，張晨曦，王曉奎

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

由于羅杰斯板具有不同頻率下穩(wěn)定的電特性，低介電常數(shù)溫度系數(shù)，低損耗及優(yōu)異的高頻性能等優(yōu)點(diǎn)，所以大多數(shù)濾波器等微波器件均采用羅杰斯板作為材料。它在微波器件中的使用方法大致分為兩種：(1) 預(yù)先把羅杰斯板焊接在器件底部，然后對(duì)已經(jīng)焊接好的羅杰斯板開孔、開槽；如圖1 所示。

（2）已經(jīng)開孔或開槽的羅杰斯板與管殼焊接后，焊料溢出，影響芯片的焊接，需要對(duì)溢出的焊料進(jìn)行剝離，并對(duì)需要焊接芯片的地方進(jìn)行清理，如圖2 所示。

以上兩種方法中，不論開孔、開槽，還是清理溢出的焊料，目前主要依靠人工實(shí)現(xiàn)，即技術(shù)人員在顯微鏡下利用工藝刀具加工，效率低且切割質(zhì)量參差不齊。如何高效率高質(zhì)量地在羅杰斯板上完成工藝圖形切割，一直是相關(guān)技術(shù)人員要解決的問題。

圖1 待開孔/ 槽的羅杰斯板

圖2 待清理焊料的羅杰斯板

1 銑切機(jī)的工作過程

銑切機(jī)主要利用高速旋轉(zhuǎn)的電主軸帶動(dòng)微型銑刀對(duì)羅杰斯板上需要加工的位置，按照設(shè)計(jì)的圖形進(jìn)行銑切。如圖3 所示為銑切機(jī)的整機(jī)示意圖。

首先通過設(shè)備的“差值測(cè)高”功能，測(cè)量出上測(cè)高頭與銑刀頭之間的高度差值、X 向及Y 向距離。其原理是Z 軸向下運(yùn)動(dòng)使上測(cè)高頭和下測(cè)高頭接觸，PLC 接收到下測(cè)高頭輸入信號(hào)時(shí)，存儲(chǔ)此時(shí)X、Y 及Z 軸的絕對(duì)位置分別為X1，Y1 和Z1。然后Z 軸復(fù)位，移動(dòng)XY 平臺(tái)，Z 軸再次向下運(yùn)動(dòng)使銑刀頭與下測(cè)高頭接觸，同樣PLC 接收到下測(cè)高頭輸入信號(hào)時(shí)，存儲(chǔ)此時(shí)X、Y 及Z 軸的絕對(duì)位置 分 別 為X2，Y2 和Z2。（X1-X2），（Y1-Y2），（Z1-Z2）即分別為上測(cè)高頭與銑刀頭之間的X 向差值△X，Y 向差值△Y 和高度差值△Z。

再把上測(cè)高頭準(zhǔn)確地移動(dòng)到加工位置，然后利用“定位測(cè)高”功能，Z 軸下降直至PLC 接收到上測(cè)高頭輸入信號(hào)，存儲(chǔ)此時(shí)Z 軸絕對(duì)位置Z3。Z軸復(fù)位后，XY 平臺(tái)X 向與Y 向分別相對(duì)移動(dòng)△X 和△Y。Z 軸再次下降到絕對(duì)位置（Z3+△Z）后，銑刀頭即接觸到加工位置表面。根據(jù)設(shè)計(jì)的圖形尺寸，把需要的數(shù)據(jù)按照設(shè)備加工要求通過觸摸屏輸入到PLC 中，即可開始自動(dòng)運(yùn)行。如果加工位置較多且圖形一致，可以預(yù)先把所有位置存入PLC 數(shù)據(jù)寄存器。銑切刀將按照設(shè)計(jì)的圖形和保存的位置自動(dòng)銑切，運(yùn)行結(jié)束后，銑刀自動(dòng)提升到設(shè)定高度。

圖3 銑切機(jī)整機(jī)示意圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)基于PLC 與觸摸屏HMI 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成。PLC 對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，并與觸摸屏和變頻器進(jìn)行通訊。通過觸摸屏可以設(shè)置電主軸的轉(zhuǎn)速、各運(yùn)動(dòng)軸的速度，同時(shí)監(jiān)測(cè)限位及電主軸的狀態(tài)等。觸摸屏、PLC 以及變頻器均選用臺(tái)達(dá)系列。3個(gè)運(yùn)動(dòng)軸都采用高精度步進(jìn)電機(jī)，其中Z 軸可完成分辨率為0.001 mm 的切深進(jìn)給。各軸均可用操縱桿進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。變頻器控制電主軸的最高轉(zhuǎn)速可達(dá)70 000r/min。電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、慣性小、振動(dòng)小、噪聲低、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，且轉(zhuǎn)速高、精度高、效率高，是高速主軸單元中的一種理想結(jié)構(gòu)，電主軸軸承采用高速軸承技術(shù)，耐磨耐熱，壽命是傳統(tǒng)軸承的幾倍。配有標(biāo)準(zhǔn)的ER11 夾頭，簡(jiǎn)化主軸結(jié)構(gòu)。最大可以?shī)A持準(zhǔn)6 mm 的刀柄，完全滿足工藝要求。通過兩路CCD 相機(jī)同時(shí)對(duì)加工過程進(jìn)行正面及側(cè)面監(jiān)控。設(shè)備控制框圖和PLC 接線圖如圖4 和圖5 所示。

圖4 設(shè)備控制框圖

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 PLC 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)PLC 控制部分軟件采用臺(tái)達(dá)公司開發(fā)的編程軟件工具WPLSoft V2.35 進(jìn)行開發(fā)。程序流程圖如圖6 所示。

（1）運(yùn)動(dòng)軸控制

運(yùn)動(dòng)軸控制主要包括X、Y 及Z 共3 軸的JOG 移動(dòng)、相對(duì)移動(dòng)和絕對(duì)移動(dòng)等。

JOG 移動(dòng)和相對(duì)移動(dòng)均通過觸摸屏設(shè)置移動(dòng)速度及移動(dòng)距離后，利用操縱桿進(jìn)行操作。部分代碼如下：

圖5 設(shè)備PLC 接線圖

圖6 程序流程圖

指令 注釋

PLSV D214 Y0 Y1 //Y 軸以速度D214 連續(xù)（JOG+）移動(dòng)

DMUL K-1 D214 D154 //D154 存儲(chǔ)大小與D214 相等但方向相反的速度

PLSV D154 Y0 Y1 // Y 軸以速度D154 連續(xù)（JOG-）移動(dòng)

DDRVI D204 D206 Y0 Y1 //Y 軸以速度D206 移動(dòng)相對(duì)位移D204

DMUL K-1 D204 D164 //D164 存儲(chǔ)大小與D204 相等但方向相反的速度

DDRVI D164 D206 Y0 Y1 //Y 軸以速度D206 移動(dòng)相對(duì)位移D164

DDRVA D314 D316 Y0 Y1 //Y 軸以速度D316 移動(dòng)到絕對(duì)位置D314

（2）自動(dòng)測(cè)高控制

自動(dòng)測(cè)高控制中主要分單步測(cè)高和差值測(cè)高兩部分。單步測(cè)高是指利用測(cè)高頭測(cè)量被加工表面的Z 軸縱向高度，即Z 軸接觸表面時(shí)的行程。差值測(cè)高是指測(cè)量測(cè)高頭與銑刀頭之間的高度差。部分代碼如下：

指令 注釋

//差值測(cè)高

//X、Y 軸移動(dòng)下測(cè)高頭到銑刀頭下面

DDRVA D554 K4000 Y2 Y3 //X 軸以速度K4000 移動(dòng)到絕對(duì)位置D554

DDRVA D556 K4000 Y0 Y1 //Y 軸以速度K4000 移動(dòng)到絕對(duì)位置D556

PLSV D216 Y4 Y5 //Z 軸以速度D216 連續(xù)（JOG+）移動(dòng)

AND X17 //下測(cè)高頭X17 閉合

DMOV D1375 D190 //保存當(dāng)前Z 軸位置到數(shù)據(jù)寄存器D190

//X、Y 軸移動(dòng)下測(cè)高頭到上測(cè)高頭下面

DDRVA D550 K4000 Y2 Y3 //X 軸以速度K4000 移動(dòng)到絕對(duì)位置D550

DDRVA D552 K4000 Y0 Y1 //Y 軸以速度K4000 移動(dòng)到絕對(duì)位置D552

SET Y10 //氣缸下降

PLSV D216 Y4 Y5 //Z 軸以速度D216 連續(xù)（JOG+）移動(dòng)

AND X17 //下測(cè)高頭X17 閉合

DSUB D1375 D190 D500 //Z 軸當(dāng)前位置減去數(shù)據(jù)寄存器D190 中的數(shù)值，差值保存到D500

//單步測(cè)高

PLSV D216 Y4 Y5 //Z 軸以速度D216 連續(xù)（JOG+）移動(dòng)

AND X16 //上測(cè)高頭X16 閉合

DMOV D1375 D502 //保存當(dāng)前Z 軸位置到數(shù)據(jù)寄存器D502

DDRVA D250 K5000 Y4 Y5 //Z 軸以速度K54000 移動(dòng)到絕對(duì)位置D250

（3）銑切控制

銑切控制主要設(shè)置銑切時(shí)需要的參數(shù)，即所使用銑刀的直徑，切割的數(shù)量、深度、次數(shù)及長(zhǎng)度和寬度。例如使用直徑為φA 的銑刀銑切N 個(gè)相同的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，寬度為W，深度為H 的圖形。部分代碼如下：

指令 注釋

DDIVP D50 D52 D70 //Z 軸單次下降深度D70

DDIVP D98 D60 D75 //Y 軸單段移動(dòng)D75

DDRVI D70 D210 Y4 Y5 //Z 軸以速度D210 下降深度D70

BMOV D1338 D92 K2 //保存X 軸當(dāng)前位置到數(shù)據(jù)寄存器D92

BMOV D1336 D90 K2 //保存Y 軸當(dāng)前位置到數(shù)據(jù)寄存器D90

DDRVI D80 D202 Y2 Y3 //X 軸以速度D202 移動(dòng)相對(duì)位移D80

DDRVI D82 D206 Y0 Y1 //Y 軸以速度D206 移動(dòng)相對(duì)位移D82

DDRVI D96 D202 Y2 Y3 //X 軸以速度D202 移動(dòng)相對(duì)位移D96

//如果單次切割完成，X、Y 軸回到起點(diǎn)

DDRVA D90 K5000 Y0 Y1 //Y 軸以速度K5000 移動(dòng)到絕對(duì)位置D90（起點(diǎn)）

DDRVA D92 K5000 Y2 Y3 //X 軸以速度K5000 移動(dòng)到絕對(duì)位置D92（起點(diǎn)）

3.2 控制系統(tǒng)操作界面

控制界面中包含主控界面、銑切設(shè)置界面、狀態(tài)顯示界面、運(yùn)動(dòng)參數(shù)界面、絕對(duì)移動(dòng)界面及測(cè)高設(shè)置界面等。在各個(gè)界面中用戶均可以方便地設(shè)置運(yùn)行所需的參數(shù)。如果參數(shù)輸入錯(cuò)誤，系統(tǒng)會(huì)給予提示，停止運(yùn)行確保安全。在狀態(tài)顯示界面中實(shí)時(shí)顯示各軸限位的狀態(tài)、主軸運(yùn)行狀態(tài)等信息。方便用戶的觀察和操作。如圖7，8，9，10，11，12 所示。

圖7 銑切設(shè)置界面

圖8 主控界面

圖9 運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置界面

圖10 絕對(duì)移動(dòng)界面

圖11 自動(dòng)測(cè)高界面

圖12 狀態(tài)顯示界面

5 結(jié)束語

本文主要介紹應(yīng)用DVP-EH3 PLC 對(duì)銑切機(jī)進(jìn)行控制，完成羅杰斯板的加工。操作界面簡(jiǎn)單，方便使用者對(duì)設(shè)備的操作。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行，此系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，操作方便，監(jiān)控直觀的目的。很大程度上縮短了羅杰斯板的加工時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

[1] 劉涵綺. PLC 在原料氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]. 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2014，33(6)：35-39.