許多復(fù)雜外形的船用零部件（如曲軸、柴油機(jī)外殼）在制造過程中需要精加工，而單軸車床往往解決不了問題。數(shù)控加工中心（CNC）是由機(jī)械設(shè)備與數(shù)控系統(tǒng)組成的使用于加工復(fù)雜形狀工件的高效率自動(dòng)化機(jī)床，它是高度機(jī)電一體化的產(chǎn)品。

　　本文以HJD-4 型五軸加工中心試驗(yàn)機(jī)為科研平臺(tái)，該平臺(tái)以三菱PLC（型號(hào)FX2N-80MT）及其運(yùn)動(dòng)控制模塊20GM為核心，并配備繼電器、接觸器、開關(guān)按鈕等輔助器件。設(shè)聯(lián)動(dòng)軸為加工中心的X 軸、Z 軸，由步進(jìn)電機(jī)（型號(hào)57BYG250E）拖動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)器型號(hào)是SH-20806C。

　　實(shí)驗(yàn)機(jī)加工中心坐標(biāo)系如圖1 所示，其中黃色箭頭方向是X 軸，紅色箭頭方向是主軸Y 軸，綠色箭頭方向是Z 軸，白色箭頭方向是刀庫T 軸，深藍(lán)色箭頭是轉(zhuǎn)臺(tái)C 軸。

圖1 五軸加工中心

一、系統(tǒng)框圖

　　控制方案系統(tǒng)圖如圖2 所示：

圖2 系統(tǒng)控制框圖

　?。?）上位機(jī)。由用戶通過PC 機(jī)在三菱FX2N-80MT 的PLC 專用軟件FXGPWIN 進(jìn)行梯形圖程序的編寫，并通過232 通信線傳送給PLC。

　　（2）PLC。用戶可以通過手動(dòng)按鈕或控制盒輸入開關(guān)量給PLC，通過計(jì)算后PLC 將產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)器電源開關(guān)信號(hào)，并通過運(yùn)動(dòng)控制模塊20GM 控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。然后，驅(qū)動(dòng)器拖動(dòng)數(shù)控機(jī)床的X 軸步進(jìn)電機(jī)和Z 軸步進(jìn)電機(jī)完成兩軸聯(lián)動(dòng)。

　?。?）20GM。安裝時(shí)，與PLC 固定在同一金屬槽中，并通過內(nèi)部扁平線纜和PLC 接口電路連接。在PLC 的作用下，它會(huì)向步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出控制脈沖。用戶可以通過上位機(jī)中20GM 專用軟件FXVPS-E 對(duì)步進(jìn)參數(shù)（如脈沖頻率、運(yùn)動(dòng)軌跡）等進(jìn)行設(shè)置，并通過232 通信線進(jìn)行傳輸。

　?。?）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及步進(jìn)電機(jī)。在接收到脈沖信號(hào)和方向信號(hào)后，通過連接絲桿完成拖動(dòng)。

二、硬件設(shè)計(jì)

　　硬件部分包括輸入部分和輸出部分，見圖3 和圖4：

圖3 輸入部分

圖4 輸出部分

　　其中，PLC 的電源控制開關(guān)是QF1，它通過內(nèi)部扁平編程電纜和運(yùn)動(dòng)控制模塊20GM 連接（如圖3 中較粗黑線）。PLC 的輸入按鈕包括機(jī)床啟動(dòng)X10、機(jī)床停止X11、兩軸動(dòng)作按鈕X12、單軸動(dòng)作按鈕X13、正向X14、反向X15 以及復(fù)位X16 等多個(gè)項(xiàng)目，主要用于用戶輸入開關(guān)量；PLC 的輸出是Y0 觸點(diǎn)和Y1 觸點(diǎn)，其中Y0 通過繼電器KA0 的線圈連接到公共端COM，并通過KA0 觸點(diǎn)連接接觸器KM 線圈，由KM 的觸點(diǎn)和空氣開關(guān)QF2 一起控制X 軸和Z 軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的通斷。

　　Y1 觸點(diǎn)通過其常閉觸點(diǎn)Y1 控制Z 軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的通斷，從而使機(jī)床處于單軸動(dòng)作狀態(tài)。

　　當(dāng)線路連接完畢后，合上QF1，并將PLC 的狀態(tài)開關(guān)撥至“PROG”編程狀態(tài)，此時(shí)將梯形圖文件傳送至PLC。將20GM 的編程電纜也連接到上位PC 機(jī)上，并將20GM 的狀態(tài)開關(guān)撥至“MANU”手動(dòng)狀態(tài)上。然后通過拍20GM 專用軟件 “FXVPS-E”將定位程序傳送至20GM。

　　將開關(guān)QF2 合上，并將PLC 的狀態(tài)開關(guān)撥至“RUN”狀態(tài)，將20GM 的狀態(tài)開關(guān)撥至“AUTO”狀態(tài)，PLC 的Y0 輸出從而使KM 主觸頭閉合，驅(qū)動(dòng)器1 和驅(qū)動(dòng)器2 得電。按下PLC 輸入端的“復(fù)位”按鈕后，X 軸和Z 軸將回到原位，整個(gè)系統(tǒng)處于歸零工作狀態(tài)。其中，HJD-4 試驗(yàn)機(jī)已在原位設(shè)置了位置開關(guān)，用于系統(tǒng)硬件歸零。

　　若斷開開關(guān)QF1，PLC 將失電，從而步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器也會(huì)失電，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)處于斷電狀態(tài)。

三、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　20GM 模塊的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)有專門針對(duì)X 軸和Z 軸的字區(qū)域（BFM20 和BFM21，各16 位），其每一位都具有不同的功能特性，其示意圖如圖5 所示。其中，BFM20 用于設(shè)置同步2 軸和X 軸的運(yùn)動(dòng)方式，BFM21 用于設(shè)置Z 軸的運(yùn)動(dòng)方式。

圖5 20GM 程序位設(shè)置格式

　　我們需要編寫相關(guān)的程序并從PLC 發(fā)送至20GM 的緩沖區(qū)中，具體程序流程圖如圖6 所示。首先要通過用戶輸入的按鈕組合判斷工作模式，從而產(chǎn)生兩個(gè)分支，分別是兩軸聯(lián)動(dòng)模式和單軸動(dòng)作模式，后在不同的工作模式下開始加工。具體PLC 梯形圖程序如圖7 所示：

圖6 程序流程圖

圖7 程序?qū)嵗?/p>

　　其中當(dāng)M8000 得電時(shí)，PLC 將K4M10 和K4M30 寄存器的數(shù)據(jù)（字長(zhǎng)為16 位）傳送到1 號(hào)單元（20GM）的特殊功能模塊BFM20 和BFM21 中。然后通過X10 和X11控制兩個(gè)聯(lián)動(dòng)軸的通與斷，并通過X12 和X13 來控制數(shù)控機(jī)床的工作狀態(tài)（單軸動(dòng)作和兩軸聯(lián)動(dòng)之間切換）。當(dāng)機(jī)床處于兩軸聯(lián)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，Y0 導(dǎo)通輸出，并通過復(fù)位、正向以及反向控制其工作；當(dāng)機(jī)床處于單軸動(dòng)作狀態(tài)時(shí)，Y1 和Y0 同時(shí)導(dǎo)通，此時(shí)Y1 會(huì)通過常閉觸點(diǎn)KA1 斷開Z 軸電機(jī)，從而使X 軸電機(jī)單獨(dú)工作，在該狀態(tài)下也可通過復(fù)位、正向以及反向控制工作。

　　當(dāng)兩軸聯(lián)動(dòng)工作設(shè)置完畢后，可打開主軸（即Y 軸）變頻器控制開關(guān)，加工開始。

四、結(jié)論

　　本方案有如下特點(diǎn)：

　?、?控制方法簡(jiǎn)單：用戶可以通過手動(dòng)切換單軸動(dòng)作和兩軸聯(lián)動(dòng)，使用方便。

　?、?可移植性強(qiáng)：可將代碼嵌入大型立體加工程序中，作為一個(gè)流程環(huán)節(jié)使用。

　?、?擴(kuò)展性強(qiáng)：通過PLC 中寄存器的設(shè)置以及硬件電路擴(kuò)展，可將聯(lián)動(dòng)擴(kuò)展到兩軸半、三軸等更為復(fù)雜的場(chǎng)合中。綜上所述，本方案具有一定的研究和實(shí)用價(jià)值，可廣泛應(yīng)用于船用零部件制造及其他機(jī)械加工領(lǐng)域。