0 前言

　　數(shù)控加工中心是具有刀庫和自動換刀裝置的高效自動化數(shù)控機床。在工件一次裝夾后，可完成銑、鉆、擴、鏜及螺紋加工等多種工序的加工。它利用氣動技術(shù)可完成工件的夾緊、刀具的交換、動力滑臺的驅(qū)動與進給速度控制等作業(yè)。加工中心自動換刀裝置大部分采用了氣動換刀系統(tǒng)，由氣壓來控制氣動機械手。

　　可編程控制器（PLC）是自動換刀系統(tǒng)的核心部分。目前，國內(nèi)對自動換刀機構(gòu)的控制多采用傳統(tǒng)PLC（簡稱硬PLC）及單片機，如三菱FX2N 系列的PLC 控制、西門子S7-200 系列PLC、AT98C51 單片機。需要編寫復雜的換刀PLC 程序，同時自動換刀系統(tǒng)性能的好壞直接影響加工效率的高低。

　　德國西門子公司的S7-300 有很強的模擬量處理能力和數(shù)字運算能力，用戶程序容量達96KB，具有許多過去大型PLC 才有的功能，它的掃描速度為1000 條指令0.3ms,超過了許多大型PLC。S7-300 即使在惡劣的工業(yè)環(huán)境下仍然可正常工作。

　　本研究采用基于S7-300 的PLC 結(jié)合氣動控制技術(shù)，實現(xiàn)了對數(shù)控加工中心氣動換刀控制系統(tǒng)的改進，通過實踐運行驗證PLC 設(shè)計方案，達到提高數(shù)控加工中心的靈活性，縮短換刀時間，優(yōu)化數(shù)控加工中心設(shè)備的加工性能，提高數(shù)控加工中心的工作效率和經(jīng)濟效益的目的。

1 數(shù)控加工中心的結(jié)構(gòu)

　　圖1 所示為立式加工中心示意圖。它有盤式刀庫4 和換刀機械手2，換刀機械手位于主軸和刀庫之間，盤式刀庫能儲存16 把刀具。當需要換刀時，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀指令，氣動換刀系統(tǒng)在刀庫中通過氣動機械手自動進行刀具交換及選擇，完成主軸松刀、夾刀等動作。其中定位氣缸完成主軸的定位，刀具松夾氣缸完成刀具和刀具的松開與夾緊，刀具插拔氣缸完成主軸的插刀等任務。

圖1 加工中心示意圖

　　2.1 加工中心換刀系統(tǒng)工作過程

　　加工中心氣動換刀系統(tǒng)的工作循環(huán)過程如下：

　　1)主軸停止轉(zhuǎn)動→定位氣缸A活塞桿伸出，主軸定位。圖2 所示為某數(shù)控加工中心氣動換刀系統(tǒng)原理圖，該系統(tǒng)在換刀過程中實現(xiàn)主軸定位、主軸松刀、拔刀、向主軸錐孔吹氣和插刀動作。

圖2 數(shù)控加工中心氣動換刀系統(tǒng)原理圖

　　2)松夾氣缸B→活塞桿伸出→松開刀具。同時，插拔氣缸C→活塞下行→拔去刀具→通過回轉(zhuǎn)刀庫換刀。

　　3)主軸插刀錐孔吹氣→延時→停止吹氣→插拔氣缸C→活塞退回，完成主軸插刀。

　　4)松夾氣缸B→活塞退回→完成夾緊刀具。

　　5)定位氣缸A→復位退回→完成更換刀具的動作。

　　2.2 加工中心氣動換刀系統(tǒng)的工作原理

　　氣動換刀系統(tǒng)原理圖的工作原理如下：當需要換刀時，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，主軸停止轉(zhuǎn)動，電磁鐵4YA 通電使換向閥4 換至右位，氣體進入定位氣缸A 的右腔，活塞桿伸出使主軸定位。定位后，壓下行程開關(guān)，電磁鐵6YA 通電使換向閥6 換至右位，氣源通過換向閥6、快速排氣閥8 進入松夾氣缸B 的上腔，氣缸的活塞下行，下腔通過快速排氣閥7 排氣。當增壓腔油壓升高時，增壓活塞桿向外伸出松開刀具。同時，8YA 通電使換向閥9 換至右位，氣源經(jīng)換向閥9、單向節(jié)流閥11 的單向閥進入插拔氣缸C 的上腔，插拔氣缸C 的下腔經(jīng)單向節(jié)流閥10、換向閥9 排氣，插拔氣缸C 活塞下行拔去刀具并通過回轉(zhuǎn)刀庫換刀。

　　注：“+”表示通電，“-”表斷電，“( )”表示動作循序。

　　接著電磁鐵1YA 通電使換向閥2 換至左位，氣源經(jīng)換向閥2、單向節(jié)流閥3 向主軸插刀錐孔吹氣。延時后，電磁鐵1YA 斷電、2YA 通電停止吹氣。同時8YA 斷電、7YA 通電，換向閥9 切換至左位，插拔氣缸C 的下腔進氣、上腔排氣，活塞退回，完成主軸插刀。

　　接著6YA 斷電、5YA 通電，松夾氣缸B 的下腔進氣、上腔排氣，活塞退回并完成夾緊刀具。

　　然后4YA 斷電、3YA 通電，定位氣缸A 在彈簧力作用下復位退回，完成更換刀具的動作。

3 S7-300 PLC設(shè)計方案

　　3.1 設(shè)計方法的選擇

　　SIEMENS 公司的S7-300 的外形尺寸只有90mm×8mm×62mm,質(zhì)量為270g,功耗僅為4W。體積小、質(zhì)量輕，可裝在控制柜內(nèi)。該氣動控制系統(tǒng)的輸入信號為5 個點, 輸出信號為8 個點, 因此本設(shè)計選用CPU315-2DP、IM360、SM323、DI16/DO16x24V/0.5A 型S7-300PLC。本研究按照工藝流程，在編寫程序時采用順序控制的方法。

　　3.2 PLC 的I/O 分配

　　3.3 PLC 接線圖

　　PLC 接線圖表示PLC 與現(xiàn)場器件的實際連接。在輸入元件中, 按鈕SB1、SB2，熱繼電器FR1、行程開關(guān)SQ1、壓力繼電KP 器這5 個點接入的是常開點；輸出元件中1YA~8YA 電磁換向閥的線圈的額定電壓為直流24V，因此輸出電源選擇為直流24V。

　　3.4 順序功能圖

　　順序功能圖表達了氣動控制系統(tǒng)的工藝流程，每一步用方框表示。M10.0 為初始步，轉(zhuǎn)換用相應的行程開關(guān)、壓力繼電器、時間繼電器來實現(xiàn)。

圖3 順序功能圖

4 結(jié)束語

　　自動換刀系統(tǒng)作為加工中心的重要組成部分。S7-300 PLC 有非常強大的邏輯處理功能，在工業(yè)控制領(lǐng)域具有廣泛的應用空間。系統(tǒng)的成功應用證明使用該設(shè)計方案，可以提高數(shù)控加工中心的靈活性，能夠縮短換刀時間，優(yōu)化數(shù)控加工中心設(shè)備的加工性能，提高數(shù)控加工中心的工作效率和經(jīng)濟效益。