刘新波， 黎 浪， 杨永青

（邵阳学院 多电源地区电网运行与控制湖南省重点实验室， 湖南 邵阳 422000）

0 引言

模具是制造业的重要基础工艺装备， 可用来生产工业产品所需要的一些零部件。 模具的制造水平也是衡量一个国家制造业水平高低的重要标志[1]。模具内尺寸精度，即模具内腔的尺寸精度一直是冲压工艺和模塑成型工艺研究的重点内容[2]。随着中国制造2025 等计划的实施，模具制造效率和制造精度之间的矛盾越来越突出，从而使模具在制造状态下的测量任务（在机测量或在线测量）显的越来越重要[3-5]。

模具的测量是模具制造的一个重要工艺， 其尺寸参数是其成型产品的直接反映，决定着成型质量。 目前，在机床上测量模具的内腔尺寸，主要为接触测量方式。现场使用最多的是卡尺、千分表等传统尺寸测量法，这种方法但精度低，而且耗时量大。 部分有条件的企业将模具置于三坐标测量机之上进行测量，此方法虽然精度高，但是若离机测量后仍需加工，将造成二次加工误差，因此多数情况下，直接将不合格的被测样品报废，另外，该方式受限于测量效率，难以满足ISO9000 等标准对产品全检的要求[6]。

针对上述问题， 本文基于PLC 设计了一套深度在线加工测量装置。 该装置实现了在线加工测量，整个装置不仅提高了模具测量的精度和效率， 而且由LabView 软件制作的人机界面操作方便。 模具加工的过程中，增加在线检测技术，检测实时数据，进行反馈，不断提高模具的加工质量和加工效率[7]。

1 装置的结构及控制方案

1.1 装置的结构及工作原理

该装置加工检测原理见图1， 整体示意图中包括雕铣机床、磁力角架、模具、激光测量单元。激光测量单元示意图主要包括：激光传感器、安装架、磁力座、万向节、防护挡板和气嘴。

图1 装置的结构示意图

如图1（a）所示为，加工之前，将代加工模具放在工作台上， 将激光测量单元通过磁力座固定在机床合适位置后，手动调节所述磁力角架上的各个角关节，使得所述激光测量单元的激光出射光斑定位到模具上的待测点。 激光传感器的输出数值由PLC 的模拟量模块进行AD 转换，并实时传输至上位机；在加工状态时，上位机将处理后的深度参数传输至PLC， 使得PLC 实时调节数值方向的进给量，同时，在激光测量装置中设置气嘴，能实时吹除加工碎屑， 防护板能防止碎屑飞溅损伤激光测量单元的内部部件。

1.2 控制系统方案的设计

根据加工检测的装置要求， 控制系统主要由模拟量采集模块、PLC 主机、步进电机驱动器、模拟量采集模块、电主轴变频器、 激光位移传感器和上位机人机界面等组成，见图2。 控制系统中的传感器用于实时检测模具的深度参数，获得实时数据传输至PLC 中，再经过由上位机进行实时处理和分析。 PLC 和上位机采用PC Access SMART OPC 进行直接通信，方便快捷。 数据处理完后，上位机再将准确的数据传输至PLC 完成进给参数的实时调节。 由LabView 软件制作的界面作为系统的人机界面，用来显示数据和参数设置。

图2 装置的控制系统组成

由于本套系统采用的雕铣机的X、Y、Z 进给轴采用步进电机，改造后由PLC 发出脉冲信号的进行控制，其脉冲由设定的进给速度决定，特别的，加工状态下Z 轴的进给量由激光传感器反馈后的深度参数决定。 针对所采用的电主轴进行控制， 采用变频器自带的面板进行参数设定，PLC 仅对其进行启停控制。 上位机（人机界面）可用于现场控制、 控制参数设置、 以及加工路径和数据检测分析，也可以通过手动或点动的方式对装置进行控制。

2 控制系统的分析设计及硬件选型

2.1 控制及扩展模块

整个装置的控制系统包括PLC、传感器、变频器、驱动器以及相应的扩展模块和人机界面等。 计算机可以通过以太网与PLC 实现通讯，在STEP7-Micro/WIN SMART软件上进行编程。 通讯推出的OPC（OLE for Control）服务器软件。 跟其他标准的OPC 客户端进行通信并提供数据信息。在本文中是检测STEP7-Micro WIN SMART 软件中已经编好的程序，它具有测试功能。 这样一来，便可以测试配置情况和通信情况。

本文采用的是西门子公司生产的S7-200 SMART 系列的CPU ST 30 DC/DC/DC 作为控制核心， 该PLC 提供18 点数字量输入，12 点数字量输出， 并且有3 个脉冲输出接口，能够满足系统对I/O 口需求。 模拟量扩展模块选择EM AE04，模拟量输入模块，4 输入。 根据整个系统的要求分配PLC 输入输出端口， 各设备及传感器元件的PLC 端口地址分配见表1。

表1 PLC 端口地址分配

2.2 测量装置模块

为了实现在加工过程中对模具进行测量， 将激光位移传感器为核心的激光测量单元固定在雕铣机床的主轴支架上， 手动调节使测量单元的激光斑定位到模具的待测点上。综合考虑精度和结构参数，激光传感器选择型号为HG-C1030 的传感器，测量中心距离为30mm，测量范围为±5mm，电源电压12～24V，电流应不超过40mA。

2.3 变频器、驱动器与电机

为了改变主轴电机转速进而改变模具加工时的速度，控制系统采用变频器，其作用是对电机进行调速，变频器选用AE200-2-1PH-1.5G， 单线输入，220V 电压，频率为50～60Hz， 三线输出，220V 电压， 工作电流不超过7A。对电机不仅有保护作用，而且调速效率高、方便控制，使控制系统变得简单。

为了控制另外三个电机的启动、停机、转速和对电路的保护，控制系统采用步进电机驱动器。 通过划分表，设置可行性方案，操作起来相对容易。通过PLC 发出的脉冲控制电机的运行，脉冲数对应转速的角度，脉冲频率对应速度。 步进电机驱动器选用DM542， 供电电压可达50VDC， 输出电流峰值可达4.2A， 脉冲最高响应频率200kHz，噪音小，抗干扰能力强，且可实现高精度定位。

3 系统软件的设置

3.1 PLC 主程序设计

整个加工检测系统的控制程序包括激光检测模块、设置模块、数据存储模块和设备控制模块。 检测模块是负责实时检测被加工物的精度，从而进行调整。 设备控制模块主要为PLC 对电机及设备传感器信号的检测和反馈控制。 设置模块主要是设置传感器的启动值。 数据存储模块一方面是将检测到的数据上传至主控单元，从而进行分析， 另一方面显示电机的运转规律和运行情况，见图3。

图3 控制程序流程图

从图3 的流程图来看， 系统和设备通上电之后，在人机界面上对控制系统进行初始化，检测各设备传感器的标定状态，如过未检测到数据则报警。对各种参数进行设置，将待加工模具在至工作台，各方面都调节好之后，将编好的程序导入， 然后启动。 铣刀开始工作，激光测头发出的光斑对准加工位置，测得数据上传至主控单元。

根据控制系统流程图在STEP7-Micro/WIN SMAR 软件上进行编程，见图4，激光传感器的模拟量信号转换成数字信号。

图4 信号转换

3.2 人机界面设计

操作界面用LabView 软件进行图形化编程， 见图5，操作界面包括四个部分， 第一个部分是坐标轴对应的坐标参数，第二个部分对应的是刀具的实际路径图，第三部分也就是运行状态，包括启动、停止运行和复位，两个运行启示灯，最后的一部分是数据分析处理。

图5 人机界面图

4 结束语

本文研究设计的在线测量加工装置， 不仅可以完成模具的加工， 还可以根据模具所需要的精度进行再次加工。 同时，该系统采用PLC 作为控制器，具有工作稳定性好的特点。 在使用功能方面，系统可依据历史数据对作业参数进行修改，可利用人机界面设定为自动作业或手动操作[8]。 该系统的成功实现，解决了模具在线加工同时进行的困难。