一种数控深孔钻床控制系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术提供一种数控深孔钻床控制系统及其控制方法，针对现有技术难以满足深孔加工时的深度、精度以及效率等问题，本系统结合伺服控制、人机交互技术、PLC技术和传感器技术等先进技术，简化对钻床的控制和操作，不仅提高了深孔加工效率和精度，而且安全可靠性也有所提高。本发明专利技术通过安装在基座上的直线位移传感器，并结合基于模糊控制的微分先行PID算法，实现了工作台位置全闭环控制系统并降低了工进距离的超调，以达到钻头精确定位和系统稳定运行的效果；通过光电编码器结合无级调速系统，实现调速半闭环控制系统的同时保持恒定的钻削速度，提高了传动平稳性；通过基座两侧的限位开关，用于控制工作台的起点和终点，提高装置的安全可靠性。

A CNC Deep Hole Drilling Machine Control System and Its Control Method

The invention provides a CNC deep hole drilling machine control system and its control method. Aiming at the problems that the existing technology can not meet the depth, accuracy and efficiency of deep hole processing, the system combines servo control, human-computer interaction technology, PLC technology and sensor technology to simplify the control and operation of the drilling machine, which not only improves the efficiency and accuracy of deep hole processing, but also ensures safety. Reliability has also improved. By means of linear displacement sensor mounted on the base and combined with differential advance PID algorithm based on fuzzy control, the full closed-loop control system of worktable position is realized and the overshoot of working distance is reduced, so as to achieve the effect of precise positioning of drill bit and stable operation of the system; and by means of photoelectric encoder and stepless speed regulation system, the semi-closed-loop control system of speed regulation is realized simultaneously. The constant drilling speed improves the transmission stability, and the limit switch on both sides of the base is used to control the starting point and the end point of the worktable, so as to improve the safety and reliability of the device.

【技术实现步骤摘要】
一种数控深孔钻床控制系统及其控制方法
本专利技术涉及数控深孔加工
，涉及深孔加工的数控化及数控程序的设计优化技术，特别是涉及一种数控深孔钻床控制系统及其控制方法。
技术介绍
随着我国机械制造业的迅速发展，使得原本局限于军事工业、航空航天等特定领域的数控深孔加工技术及装备，在纺织机械、石油机械、印刷机械、包装机械、医疗器械、汽车拖拉机、橡塑模具以及发电机制造、机床制造等行业有关零件的深孔加工也得到应用，因此，新型的数控深孔加工技术及控制系统的研发与创新成为机械制造行业的迫切需求和良好的发展前景。目前，深孔加工技术主要存在以下难题：(1)深孔加工处于一种封闭或半封闭的加工状态下，不能直接观察刀具的钻削和走刀情况，存在废品率过高的风险；(2)切屑在深孔内，排屑路径较长，不便于排屑；(3)钻削热量在钻削区内不便于散发，引起机器的磨损；(4)一般情况下，由于被加工孔的深度与直径的比例较大，钻杆细长，其刚性差，工作时容易偏斜及产生振动，而且会随着长径比的增加而增加，被加工孔的精度和表面粗糙度也较难保证；(5)由于工件的材质不均匀以及钻头的磨损，钻削力的值会在很大范围内变化，在某些时候，还会出现过载现象，从而引起钻头的纵向弯曲、偏移、甚至折断。综上所述，现代利用机钻钻削深孔的机床与其他机床一样发展迅速，向数控多轴化、多功能化、智能化方向发展，不久的将来环保型的数控深孔钻床将陆续出现，以减少操作人员的劳动强度、消除油烟污染对人体的影响，最终实现全自动化、环保、数控和绿色加工。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：为了克服现有技术中的不足，本专利技术提供一种数控深孔钻床控制系统及其控制方法，利用数控技术结合传感器技术、人机交互技术、PLC技术以及伺服驱动技术改进传统手工深孔加工方式，实现加工过程数字化和自动化，以减轻操作人员的劳动强度，提高加工精度，提高生产率和经济效益。本专利技术解决其技术问题所要采用的技术方案是：一种数控深孔钻床控制系统，包括触摸屏、PLC控制器和数控深孔钻床装置，其中，所述触摸屏与所述PLC控制器连接，用于切换自动控制模式和手动控制模式，以及用于实时显示钻床工作参数；所述PLC控制器作为系统控制核心，用于完成相应数据传送和各个I/O口的控制，以及用于控制数控深孔钻床装置中的各个执行机构进行相应的动作；所述数控深孔钻床装置用于对待加工的零件进行深孔加工。进一步，所述数控深孔钻床装置包括基座、导轨、顶杆、切削组件、钻头组件、上下料组件和工进组件，所述的基座上设有水平导轨且基座左端设有工作台限位开关，所述的工进组件位于导轨上，并配有交流伺服电机，所述的顶杆位于基座的右端并垂直于基座，所述的切削组件、钻头组件位于基座上方，上下料组件基座上，其中，钻头组件垂直于基座，切削组件位于钻头组件左侧。所述的切削组件包括安装在顶杆上用于控制切削液输出以实现排屑以及冷却工件的切削液电机、连接着切削液电机用于检测切削液液位的液位开关；所述的钻头组件包括位于顶杆上用于控制钻头钻进和退屑操作的主轴电机、位于主轴电机轴上用于深孔加工的钻头；所述工进组件包括位于导轨上的工作台、位于基座上用于改变工作台平移位置和速度的交流伺服电机、安装在基座上用于控制位移量的直线位移传感器、工作台内控制卡盘夹紧的气缸以及安装在气缸上用于压力检测的气缸压力检测器；所述上下料组件包括固定于基座左端用于抓取工件的机械手。进一步，所述触摸屏内设有人机交互系统，所述人机交互系统设有人机交互界面，用于实现自动控制模式和手动控制模式的切换，所述的人机交互界面完成交流伺服电机对工作台位置与方向的控制、主轴电机对钻头工作方向的控制、切削液电机对冷却系统的控制以及整个深孔加工过程的自动化操作。一种数控深孔钻床控制方法，包括上述的控制系统，还包括以下步骤：利用PLC控制器控制数控深孔钻床装置中的各个执行机构进行相应的动作，完成工件的深孔加工：步骤1：通过控制伺服电机转动，将工作台退到夹件位置，工作台内部的卡盘松开，通过机械手抓取工件，放入工作台内，通过工作台内的气缸动作，使工作台内的卡盘夹紧工件；夹紧工件后，通过PLC控制交流伺服电机正转使工作台快速移动到加工位置；步骤2：打开切屑液电机释放切屑液，对加工工件喷切屑液；然后，通过钻头对工件进行工作进给，工进一定深度后，通过关闭切屑液电机，停止切削液的释放，同时，钻头快速退回工件加工孔孔外，便于工件进行排屑；步骤3：按照步骤2循环操作，直到完成总工进位移；最终，主轴电机停止，工作台快速退回至夹件位置，交流伺服电机停止，工作台内的卡盘松开，报警灯闪烁，机械手更换工件。其中，PLC控制器通过光电编码器结合无级调速系统实现调速半闭环控制系统的同时保持恒定的切削速度，提高了传动平稳性，具体步骤包括：1)涉及到的数控钻床恒定线速深孔加工需在运转中变速，本专利技术的变速箱级数设为4级；2)设aj为第j传动组的中心距，则有其中，mj，i1j，Z1j分别为第j变速传动组齿轮的模数、最小传动比和相应传动组中主动齿轮数。由得出变速箱展开图最小总中心距，从而使箱体结构紧凑。3)设计约束条件：①变速组中的极限传动比限制条件：在降速传动中，最小传动比imin≥1/4；在升速传动中，最大传动比imax≤2；变速箱传动比：变速箱在相应档位的输入轴和输出轴转速的比例。最小传动比imin≥1/4：输入轴和输出轴转速的比例最小值≥1/4；最大传动比imax≤2：输入轴和输出轴转速的比例最大值≤2。②减少传动件尺寸的原则：变速组的降速要“前缓后快”的原则。设ijmin为第j变速组的最小传动比，则有i1min≥i2min≥…≥ijmin≥…≥inmin；③线速度：齿轮的动载荷随其分度圆线速度的增加而急剧上升，取齿轮最大允许线速度[vmax]＝30m/s，由齿轮的线速度，其中，vji表示第j个变速组、标号i的齿轮的线速度(m/s)，Zji表示第j个变速组、标号i的齿轮，njmax表示第j个变速组中主动轮的最高转速(r/min)；④转速误差：实际传动比(齿轮齿数之比)与理论传动比之间允许有误差，必须满足其中，PLC控制器采用基于模糊控制的微分先行PID控制构建成位置全闭环控制系统，具体步骤包括：1)模糊控制器输入为偏差e(k)和偏差变化率输出为比例系数的增量ΔKp(k)。该模糊控制器加在微分先行PID控制器前，则偏差为e(k)＝r(k)-uD(k)；2)该控制算法将工进距离的偏差e和偏差变化率及比例系数增量ΔKp均分为3个等级，即3个参数的模糊集合的等级均为{-1，0，1}，语言表达式为{负(N)，零(Z)，正(P)}。选择隶属度函数时，表示负(N)的模糊集合为[-1，0]，其隶属度函数为Z型函数；表示零(Z)的模糊集合为[-1，1]，其隶属度函数为三角函数；表示正(P)的模糊集合为[0，1]，其隶属度函数为S型函数。比例因子与量化因子会随着被控对象的响应而定；3)偏差e(k)和偏差变化率的模糊集的论域均为[-1，1]，实际论域则由被控对象工进距离在增加阶段的偏差达到的最高值em和偏差变化率em的最高值决定，分别为[-em，em]和则有和4)对工作台移动位置与给定值的偏差进行微分，而对工作台移动位置给定值不做微分。本专利技术的有益效果是：1.本专利技术的人机交互系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种数控深孔钻床控制系统，其特征在于：包括触摸屏、PLC控制器和数控深孔钻床装置，其中，所述触摸屏与所述PLC控制器连接，用于切换自动控制模式和手动控制模式，以及用于实时显示钻床工作参数；所述PLC控制器作为系统控制核心，用于完成相应数据传送和各个I/O口的控制，以及用于控制数控深孔钻床装置中的各个执行机构进行相应的动作；所述数控深孔钻床装置用于对待加工的工件进行深孔加工。

【技术特征摘要】
1.一种数控深孔钻床控制系统，其特征在于：包括触摸屏、PLC控制器和数控深孔钻床装置，其中，所述触摸屏与所述PLC控制器连接，用于切换自动控制模式和手动控制模式，以及用于实时显示钻床工作参数；所述PLC控制器作为系统控制核心，用于完成相应数据传送和各个I/O口的控制，以及用于控制数控深孔钻床装置中的各个执行机构进行相应的动作；所述数控深孔钻床装置用于对待加工的工件进行深孔加工。2.如权利要求1所述的数控深孔钻床控制系统，其特征在于：所述数控深孔钻床装置包括基座、导轨、顶杆、切削组件、钻头组件、上下料组件和工进组件，所述的基座上设有水平导轨且基座左端设有工作台限位开关，所述的工进组件位于导轨上，并配有交流伺服电机，所述的顶杆位于基座的右端并垂直于基座，所述的切削组件、钻头组件位于基座上方，上下料组件基座上，其中，钻头组件垂直于基座，切削组件位于钻头组件左侧；所述的切削组件包括安装在顶杆上用于控制切削液输出以实现排屑以及冷却工件的切削液电机、连接着切削液电机用于检测切削液液位的液位开关；所述的钻头组件包括位于顶杆上用于控制钻头钻进和退屑操作的主轴电机、位于主轴电机轴上用于深孔加工的钻头；所述工进组件包括位于导轨上的工作台、位于基座上用于改变工作台平移位置和速度的交流伺服电机、安装在基座上用于控制位移量的直线位移传感器、工作台内控制卡盘夹紧的气缸以及安装在气缸上用于压力检测的气缸压力检测器；所述上下料组件包括固定于基座左端用于抓取工件的机械手。3.如权利要求1所述的数控深孔钻床控制系统，其特征在于：所述触摸屏内设有人机交互系统，所述人机交互系统设有人机交互界面，用于实现自动控制模式和手动控制模式的切换，所述的人机交互界面完成交流伺服电机对工作台速度与方向的控制、主轴电机对钻头工作方向的控制、切削液电机对冷却系统的控制以及整个深孔加工过程的自动化操作。4.一种数控深孔钻床控制方法，其特征在于：包括如权利要求1-3任一项所述的控制系统，还包括以下步骤：利用PLC控制器控制数控深孔钻床装置中的各个执行机构进行相应的动作，完成工件的深孔加工：步骤1：通过控制伺服电机转动，将工作台退到夹件位置，工作台内部的气缸松开，通过机械手抓取工件，放入工作台内，通过工作台内的气缸动作，使工作台内的卡盘夹紧工件；夹紧工件后，通过PLC控制交流伺服电机正转使工作台快速移动到加工位置；步骤2：打开切屑液电机释放切屑液，对加工工件喷切屑液；然后，通过钻头对工件进行工作进给，工进一定深度后，通过关闭切屑液电机，停止切削液的释放，同时，钻头快速退回工件加工孔孔...

【专利技术属性】
技术研发人员：段锁林，赵鹏，王春玲，高仁洲，刘毛毛，
申请(专利权)人：常州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32