1.1 课题研究的背景

进年来，随着我国在倡导走向科技强国、科技兴国的道路上不断前进，中国制造业的科技水平和制造能力也在不断提高。而在制造业中，数控机床的作用显得愈发的重要，被称为“工业制造的母机”。而数控钻孔机，是属于数控机床中的一种，是典型的机、电一体化设备，并采用成熟稳定的新型数控CNC系统来对机器进行控制。

数控机床的技术起源于航空工业的需要，20世纪40年代后期，美国一家直升机公司提出了数控机床的初始设想。随着数控机床的发展至今，其核心技术经过了数代的革新更替。目前最为普遍的数控机床，是采用CNC（Computer Numerical Control）的形式，这种CNC装置一般使用多个微处理器，以程序化的软件形式实现数控功能，因此又称软件数控（Software NC）。CNC系统是一种位置控制系统，它是根据输入数据插补出理想的运动轨迹，然后输出到执行部件加工出所需要的工件。

1.2 国内外研究发展的数个阶段

到目前为止，数控系统的发展可分为国外发展阶段和国内发展阶段两个方面：

1.国外数控系统的几个发展阶段：

（1）第一代数控系统。

1952年，美国帕森公司和麻绳理工学院合作研制了世界第一台数控机床，它是一台三坐标数控铣床，用于加工直升飞机叶片轮廓查用样板^[15]。

（2）第二代系统。

在1959年的美国，采用自动换刀装置的数控机床，被耐.杜列克公司发明制造了出来。广泛采用了晶体管和印刷电路板技术，数控机床成为工业制造的“加工中心”。

（3）第三代系统。

二十世纪六十年代，具备体积小、功率低优点的小规模集成电路，在电子行业开始出现。由此，进一步的提升了数控系统的可靠性能。

（4）第四代、第五代系统。

以一个个微小的处理器作为基础，通过采用超大规模集成电路和大容量磁泡存储器，对机器进行控制的数控系统，在1970至1975年得到大规模的应用。

（5）第六代系统。

也就是现在的——基于PC的数控系统。采用PC架构的数控系统，因其有PC的高速性，生产成本大大下降，且目前技术应用方面十分成熟。

2.国内数控系统的两个发展阶段：

中国于1958年研制出第一台数控机床，此后的发展过程大致可分为两大阶段。

（1）第一阶段的奠基时期，1949~1978年间。第一阶段中，中国机床工业对数控机床的原理特点、发展前景等方面认识不足，尚未形成全面的工业机床发展状况。又因为工人的技术素质不高，我国的工业基础薄弱，相关机器设备生产工件不匹配，使得我国当时仅能制造出数控线切割机、非圆插齿机和劈锥铣等机器设备^[15]。

（2）第二阶段的飞速发展时期，从1978年至今。中国从日、德、美等国家先后引进数控系统技术，并就此进行双方的合作和互助，先后解决了机器运行可靠和制造工艺稳定的问题。自身也在不断开展高精度紧密机器设备的研究，不断提高机床的精度、质量和工艺水平。机床开始正式实现自给自足，可以满足本国的工业生产和制造使用，并始终不断地稳定向前进步。

3.过去落后的钻孔技术与改进。

（1）在技术没有改进之前，企业中的工人们是采用手工给工件钻孔的——利用直尺和圆规等相对简单的工具，来对采用工件进行孔眼定位、分批打孔的钻孔过程。这样就导致，这个钻孔过程既浪费时间又浪费精力，而且出品的产品的精度不高，从而导致产品的质量和产量都上不去，影响了企业的经济效益。

（2）在采用了数控钻孔机取代手工钻孔后，可以实现生产出来的产品在精度上相对比较高，而价格又比人工手工钻孔的工资更加便宜。还有，我们的数控钻孔机只需要一个人来对机器进行控制操作，这就节省了大量的劳动力成本，并且提高了生产效率和产品质量。

1.3 研究课题的意义

随着科学技术的不断发展，工业制造是否在高效率、高质量的向前发展，已经成为衡量一个国家经济体量、生活水平和科技创新等等各个方面的一杆称。而数控机床，是工业制造过程中不可缺少的工业设备，其发展程度决定了制造业的生产能力和数字控制等等水平。

数控钻孔机，属于涵盖了所有数控机器设备的，数控机床中的一种类型，是典型的机、电一体化设备。数控钻孔机，主要应用在工件加工过程中的，钻孔、扩孔、倒角等加工步骤。数控钻孔机的应用行业，有模具制成、汽车制造、造船工艺、工程机械等等行业。尤其是，对于一些有多个孔需要加工的五金零件的工件最为合适。数控钻孔机，以PLC控制器控制取代了继电器-接触器控制，使得工件成品的生产过程更加平稳可靠，使得工厂机器的生产效率不断提高，极大的减轻了工人的任务量。

1.4 研究课题的目的

由于信捷公司生产的XD、XL系列可编程控制器，其功能实现又强大又可靠安全，可以完美实现数控钻孔机的钻孔过程控制。所以本课题采用的是基于信捷公司的XD、XL系列可编程控制器来作为数控钻孔机的主控制器。又因为信捷公司同时生产有配套的、高兼容性的伺服电机、伺服驱动器和三轴运动平台等一系列高性能的设备，则分别选择它们作为本课题的实验设备。

表1.1 机器选型

本次数控钻孔机有硬件和软件两个部分。硬件方面：采用信捷公司配套的三轴运动平台——龙门结构直角坐标系进行机械三轴伺服电机运动的基础机器提供，再采用XD、XL系列可编程控制器XDC-60C4，来控制伺服电机MS5H-60STE的运动，并辅助以人机交互平台的触摸屏TG865-M来输入数据和监测控制过程；软件方面：则是使用信捷公司的PLC开发软件包, 包括C语言、梯形图程序设计以及仿真调试等软件。并且，学习掌握HMI上位机组态软件的调试、使用，掌握上位机组态软件及其程序设计一般方法。

通过本次课题的实践，可以让我掌握PLC系统设计的基本过程，掌握PLC硬件设计和组态软件程序设计的具体要求指标，学会PLC系统硬件选型和系统配置方法等等知识要点。另外还可以学习数控钻孔机的基本结构与工作原理，提高综合应用专业基础理论知识的能力，为以后走上工作岗位奠定良好的基础。

随着自动化工业技术的不断发展，数控钻孔机也将依托与此向前发展，不断的完善自身的不足之处，能够更好更快地实现更多的功能。目前为止，中国却仍有95%以上的高档机床来自于进口，只有5%自主生产。数控产业目前以美国、德国、日本等国家为技术领先者，中国主要是从上述国家进口数控机床。为了我国数控产业的发展，需要我们不断努力研发新的数控机床技术，向更高精度、更快速度、更高效率进发。

2.1主要研究内容

1. 数控钻孔机的组成。学习掌握数控钻孔机的所有组成部分，了解工作原理和工作过程。整个数控钻孔机系统结构主要由以下几部分组成：三轴运动平台（运动），PLC控制器XDC-60C4（主控制器），Touch Win触摸屏（数据输入、修改），伺服驱动模块，变频器调速模块，上位机（编辑程序）等等。

图2.1 硬件系统结构图

2. 数控钻孔机的总体结构。理解PLC系统的总体结构，掌握PLC硬件设计、组态软件程序设计和人机交互界面程序的设计。数控钻孔机控制系统的硬件方面，拟采用伺服电机MS5H60STE进行驱动三轴的运动，辅助以变频器改变电机运动的速度；并使用XDC-60C4可编程控制器来控制伺服电机的运动；再采用信捷PLC编程软件对PLC控制器进行一系列钻孔程序设计。控制系统的编程软件方面，包括使用信捷PLC编程工具软件来编程钻孔的整体运动，和采用Touch Win软件来对触摸屏(HMI)进行人机交互界面的编辑，便于控制系统命令输入、参数输入输出和运行状态显示等等功能。

2.2预期目标

1. 数控钻孔机的基本结构与工作过程。

（1）基本结构：床身，工作台，主架，主轴进给，x轴定位，y轴定位，z轴定位的数控电气系统、伺服驱动系统、变频调速系统、供电电源模块和人机交互界面系统等等机器设备。

（2）工作过程：放置工件→工件夹紧→三轴回零→确定目标点→钻下第一个孔→z轴抬起→钻下第二个孔→...→钻下最后一个孔→→成品松开→成品出料。

（3）工艺流程图。

图2.2 工艺流程设计图

2.数控钻孔机具体实现的功能。

（1）运动与保护。快速、准确地控制两轴伺服电机实现运动工作台定位和z方向上的抬起和落下，并施加包括限位保护、断电保护等保护功能。

（2）输入和全自动。根据数字控制的一般过程，使用HMI触摸屏设定的钻孔位置数据的输入，通过一步步的控制程序，完成全自动钻孔机加工。

（3）CSV导入和导出与正常钻孔工作。转化数据格式输入硬件系统。在上位机输入固定的程序文件（表格），使用特定的转化方式，把预计钻孔的孔位数据（X轴、Y轴和Z轴坐标等），转化为PLC编程软件能够识别的CSV格式。在上位机，把已经编辑好的表格数据存入U盘之中。最终输入到硬件机器部分，控制机器能够正确识别坐标点位置，并进行准确的钻孔工作。

（4）参数输入和参数转化功能。从触摸屏下载输入参数到PLC控制器；和在PLC控制器内部进行数据整数，转换成浮点数。

（5）中心点钻孔功能。依靠信捷PLC编程软件的C语言编程功能，经过计算确定输入的中心点坐标外的其他点坐标，在进行依次的钻孔工作。

（6）C语言程序计算功能。使用新界公司的“信捷PLC编程工具软件”总的C语言函数编辑功能，完成中心点钻孔中的其他孔位坐标计算过程，实现中心点钻孔工作。

（7）触摸屏修改输入钻孔坐标参数功能。通过信捷公司的“TouchWin 编辑工具”软件的触摸屏界面编辑，自我设置和PLC控制器相匹配的人机交互界面和脚本函数程序，以实现在触摸屏上控制三轴运动平台进行钻孔工作。3.硬件和软件部分。本数控钻孔机系统分为硬件设计和软件编程两个部分，硬件和软件均选择信捷公司提供的机器和编程软件。系统整体设计完成后，需做到反应灵敏、工作稳定、智能化程度高，人机界面友好等特点，具有良好的产业化前景。

4.仿真运行和实际调试。在编辑好PLC控制程序与TouchWin触摸屏界面程序之后，在各自的仿真程序上进行模拟实验仿真，找出程序的错误和不足并逐步修改完善。等到程序基本实现所有功能后，再逐步到实验室的器材中，运行之前做好的程序，接着找出实际存在的问题并修改完善。不断重复上述过程，最后完成课题要求的目标。

5.最终成果。使用信捷PLC编程工具软件，对三轴平台的三轴(X、Y、Z)伺服电机进行快速、准确的控制，完成全自动钻孔机加工控制程序设计。使之能实现对不同加工要求的工件进行自动打孔，最终实现工件多个孔位的全自动打孔过程。

3.1研究方法

1.采用文献分析法，明确课题要求。

通过阅读大量的数控钻孔机相关的文献资料，并且经过鉴别和整理文献，我逐渐明确了本课题的研究方向和基本要求。

（1）要做成一台取代继电器控制钻孔方式的全自动数控钻孔机。其要求是，能够外部输入钻孔数据并转化成机器能够识别的数据类型，使机器能够正确高效率地运作完成预定的钻孔目标。同时要保证设备运行中的安全性和经济性。

（2）对外部数据进行转化处理，可以实现外部配方数据以CSV格式导入和导出钻孔坐标的数据，减少繁杂的数据输入时间。并且可以在TouthWin触摸屏上，可以修改下载进PLC的数据和修改上载回触摸屏的数据。

2.采用案例分析法和比较分析法。

通过案例分析法，分析理解以往的数控钻孔机的成功案例，取长补短；和使用比较分析，通过同一数据的不同比较，我最后作出如下的机器硬件、编程软件等等的选择。

（1）机器：采用信捷公司的三轴运动平台，作为数控钻孔机的钻孔部分，进行实际的钻孔过程。根据实际的需要，选取传感器和执行机构。三轴运动平台，即龙门结构直角坐标系，是进行目标自动跟踪和定位的关键设备，有着很高的灵活性和稳定性。所谓的三轴就是指X轴，Y轴，Z轴，通过对三轴电机的控制，可以实现多种运动功能。在信捷PLC编程工具软件中设计编辑一定的程序后，则可在三轴平台上自由的实现钻孔过程。

（2）硬件：PLC控制器模块：采用XDC-60C4可编程控制器，作为数控钻孔机的主控制器，和扩展控制器模块XD/E-E4AD2DA；变频器VB5N-20P7和交流接触器CJX2-1210，组成变频器调速模块，用来改变伺服电机的运动速度等变速。伺服驱动模块，则是用来产生伺服电机的驱动脉冲、驱动方向控制信号和电机脱机控制信号、变频器正向启动信号等等。伺服电机还可以控制机械轴的使能的关闭与开启。

（3）软件：采用信捷公司的信捷PLC编程工具软件，用来实现钻孔机程序的控制，作为数控钻孔机的数控部分。控制系统软件有PLC控制程序编辑软件和人机交互触摸屏界面编辑软件两个部分。PLC控制程序主要由手动调节输入数据程序和全自动加工程序组成。

（4）程序编程语言：采用信捷PLC编程工具软件，自带的梯形图语言与C语言程序和TouchWin触摸屏的脚本函数语言，进行控制程序和人机交互界面的编程与编辑。

（5）人机交互界面设计：使用信捷公司的TouchWin软件，对触摸屏(HMI)进行人机界面的编辑，便于控制系统命令输入和运行状态显示的监控，还包括使脚本函数对下载进入PLC的地址进行漂移、保存和以CSV格式导入导出钻孔坐标参数数据的功能。

（6）通信方式：选择X-NET协议栈进行PLC控制器与其他设备的各项通信。X-NET支持不同物理介质以及链路网络的基本特性为产品的互联的基础；X-NET协议参考OSI的七层网络协议，明确划分各层协议的服务及功能使得产品互联高效而简便。此外X-NET协议分为 X-NET 现场总线与X-NET 运动总线。X-NET现场总线主要是应用于 XD/XG/XL 系列PLC与PLC之间或XD/XG/XL系列PLC与 TG/TN系列触摸屏之间的总线协议。使用X-NET运动总线，来用于XDC-60C4可编程控制器与DS5E系列伺服驱动器之间的总线协议。

3.2 研究步骤

1、首先自己完成调研及查阅文献等前期准备工作，并认真撰写开题报告，了解课题的要求和明确课题要达到的目标，之后不断深入学习研究中，再不断修改增加开题报告和论文的内容。

2、PLC控制器选择XD、XL系列可编程控制器，熟悉理解信捷PLC控制系统的组成和结构，查找相关数控钻孔机的相关文献资料，了解数控钻孔机的基本结构与工作原理。

3、了解信捷HMI系统组态软件包的各个功能与实现方式，并根据实际的需要选取各种传感器和执行机构，不断完善数控钻孔机系统的功能。

4、完成硬件选型和系统配置，熟悉数控钻孔机工程项目实现的过程，实现对数控钻孔机系统硬件和软件的调试、编译、下载和运行，并且经过不断修改以实现更好的效果。

5、使用梯形图、C语言程序设计控制程编写三轴回原程序，伺服电机运动定位控制加减调速、移动定位、变频调速，钻孔参数输入和导出等等全自动钻孔功能的控制程序。

6、使用HMI软件设计上位机人机交互接口的界面，其界面包括首页、参数输入界面、实时数据监控画面等等界面。要在人机交互界面中，实现对系统的数据输入与画面监控的功能，还包括使用脚本函数对下载进入PLC的地址进行漂移、保存的程序的编写等等。

7、对数控钻孔机的系统进行总体的调试，其调试过程分为硬件调试和软件调试。在研究实现课题的过程中，逐步具体细致地撰写好毕业答辩报论文。并在最后，总结毕业设计过程中的收获不足，制作好毕业设计答辩的PPT，认真准备完成毕业设计答辩。

[1] 廖常初.S7-1200 PLC编程及应用.北京: 机械工业出版社，2017.

[2] 廖常初.S7-1200/1500PLC应用技术.北京: 机械工业出版社，2018.

[3] 游辉胜,杨同杰.运动控制系统应用指南.北京: 机械工业出版社，2020.

[4] 岂兴明等.PLC步进与伺服从入门到精通.北京: 人民邮电出版社，2019.

[5] 李辉,戴怡.基于PLC的经济型龙门式数控钻床控制系统设计[J]. 机床与液压, 2011, 39(12).

[6] 毕庆,袁清珂.数控多排钻PLC控制系统应用研究[J]. 机械设计与制造, 2014, (5)

[7] 张宾伟,励书杰.基于CANopen通信的数控钻床控制系统[J]. 制造技术与机床, 2008.

[8] 信捷公司.RC系列机器人控制手册，2017.

[9] 信捷公司.Touch Win组态软件使用手册，2017.

[10] 信捷公司.Touch Win用户手册，2017.

[11] 信捷公司.XD、XL系列可编程控制器用户手册(基本指令篇)，2017.

[12] 江世琳.数控机床才是中国的命门.中国工控网, 2018.

[13] 童志宝.一种数控钻孔机的设计与实现[J].电气传动自动化,2011,33(02):57-59.

[14] 侯柏林.浅谈数控钻孔机的设计[J].化学工程与装备,2012(08):142-144.

[15] 刘强.数控机床发展历程及未来趋势[J].中国机械工程,2021,32(07):757-770.

[16] 陈建明,王亭岭.电气控制与PLC应用.电子工业出版社,2019.

[17] 王兆安,刘进军.电力电子技术.机械工业出版社,2009.

序号

起迄日期

工作内容

1

3月1日～3月5日

检查毕业实习内容、实习日志、调研及查阅文献情况，撰写开题报告。

2

3月8日～3月19日

熟悉信捷PLC控制系统的组成和结构，数控钻孔机的基本结构与工作原理。

3

3月22日～3月26日

了解信捷HNI系统组态软件包，根据实际需要选取传感器和执行机构。

4

3月29日～4月9日

完成硬件选型和系统配置，熟悉数控钻孔机工程项目实现的过程，实现对系统硬、软件的调试、编译、下载和运行。

5

4月12日～4月30日

使用梯形图、C语言程序设计控制程编写伺服电机运动定位控制加减调速、移动定位等全自动功能控制程序。

6

5月3日～5月21日

使用HMI软件设计上位机人机接口、监控画面等的等程序。

7

5月24日～6月11日

总体调试，撰写毕业答辩报告，完成毕业设计答辩。