1 引言

　　數(shù)控沖床主要是對(duì)各種板材如普通鋼板、不銹鋼及鋁板等進(jìn)行冷壓成形或沖孔加工。廣泛應(yīng)用于汽車，航空航天，紡織機(jī)械，電氣和電子以及開關(guān)柜等行業(yè)。最近幾年,國(guó)內(nèi)鈑金加工設(shè)備需求出現(xiàn)新變化,數(shù)控鈑金加工設(shè)備呈迅速普及的態(tài)勢(shì)。數(shù)控沖床、數(shù)控折彎?rùn)C(jī)、數(shù)控剪板機(jī)、數(shù)控激光切割機(jī)成為鈑金加工的新寵,而傳統(tǒng)的鈑金加工設(shè)備和工藝已很難滿足部分客戶對(duì)加工精度、成本、效率、交貨期等方面的需求。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，各類數(shù)控機(jī)床的使用越來越普及，因此數(shù)控沖床具有很大的市場(chǎng)前景。

　　常規(guī)的CNC控制系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)控制器和內(nèi)裝式PLC組成，分別完成軌跡控制和順序控制。專用控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)是互換性差，各個(gè)CNC生產(chǎn)廠家的控制系統(tǒng)在硬件上不能互換。根據(jù)控制技術(shù)趨同性的規(guī)律，PLC廠家推出了運(yùn)動(dòng)控制單元（MC），即以PLC為主控制器，由MC單元完成軌跡控制。

目前，很多品牌的PLC都有運(yùn)動(dòng)控制單元供選擇，如歐姆龍公司的MC421/221,臺(tái)達(dá)公司的PM系列高階運(yùn)動(dòng)控制型PLC,三菱Q系列運(yùn)動(dòng)控制器等等。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　2.1 數(shù)控沖床的工作過程：

　　系統(tǒng)上電后，按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)工作。將工件放到指定位置，按下氣動(dòng)夾緊開關(guān)，工件被氣動(dòng)裝置夾緊。按下自動(dòng)模式開關(guān)，系統(tǒng)按照指定的程序工作。控制X,Y方向的電機(jī)，將工作臺(tái)移動(dòng)到指定位置。松定位轉(zhuǎn)盤的定位銷，后控制一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤，選擇所需的模具后插定位銷，將轉(zhuǎn)盤精確定位。接著控制另外一個(gè)電機(jī)，通過機(jī)械裝置帶動(dòng)沖頭工作，沖出要求的孔。當(dāng)工作臺(tái)超出行程時(shí)，碰到限位開關(guān)，系統(tǒng)給出報(bào)警和指示燈閃爍。參照數(shù)控沖床的工作過程，主要的功能需求如表1所示：

表1　系統(tǒng)功能需求分析

　　2.2 系統(tǒng)硬件組成

　　CS系列可編程控制器采用模塊式結(jié)構(gòu)，可根據(jù)用戶的需要構(gòu)成不同的組合。本系統(tǒng)選用的模塊有：CPU底板（5槽）CS1W-BC052、CPU單元CS1GCPU44H、I/O輸入單元CS1W-ID211、I/O輸出單元CS1W-OD212、運(yùn)動(dòng)控制單元MC421。

　　參照表1系統(tǒng)功能需求分析，確定控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)框架

　　2.3 I/O的分配

　　在CS1 CPU中，部分I/O存儲(chǔ)器分配給每個(gè)單元。根據(jù)分配方式，單元分為下列3組。見表2。

　基本I/O單元組的分配：CPU機(jī)架上的基本I/O單元從左到右分配字（從離CPU單元最近的單元），分配字從CIO 0000開始。以字為單位給單元分配所需字的數(shù)目（16位）。

　　根據(jù)總的設(shè)計(jì)思路：I/O輸入單元的單元號(hào)為01，I/O輸出單元的單元號(hào)為02，則輸入I/O單元CIO 0000 00-16,輸出I/O單元CIO 0001 00-16。

　　按照功能表及相關(guān)設(shè)計(jì)，I/O分配表如表3所示。

　　2.4 運(yùn)動(dòng)控制單元簡(jiǎn)介

　　運(yùn)動(dòng)控制單元（Motion ControlUnit，MC）是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心部分，它通過接口從PLC接受命令（如啟動(dòng)，停止等），然后執(zhí)行MC程序去控制伺服電機(jī)進(jìn)行定位。

　　MC單元可以實(shí)現(xiàn)圓弧插補(bǔ)，用G語言編寫運(yùn)動(dòng)控制程序，輸出模擬量，進(jìn)行高級(jí)，高速，高精度的位置控制，與伺服裝置之間構(gòu)成閉環(huán)控制。

　　本次設(shè)計(jì)采用歐姆龍公司的CS1系列PLC的MC421。該運(yùn)動(dòng)單元是CS1系列PLC的特殊功能單元。最多可以實(shí)現(xiàn)4軸（X，Y，Z和U）的伺服驅(qū)動(dòng)。利用其中的X，Y軸來實(shí)現(xiàn)沖床工作平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，用Z軸來實(shí)現(xiàn)沖孔功能的實(shí)現(xiàn)。

3 控制部分軟件部分

　　根據(jù)工作過程，編制控制流程圖如圖2、圖3所示。

4 相關(guān)技術(shù)的解決

　　4.1 數(shù)控加工程序的傳遞

　　CX-Motion是運(yùn)動(dòng)控制單元的支持軟件，它在WINDOWS操作環(huán)境下運(yùn)行。最近歐姆龍公司推出CX-ONE 軟件，其中包括CX-Motion。

　　如圖4所示，是CX-Motion軟件的界面。圖的右邊是MC單元G語言的編程界面。用戶可在其中編寫所需的數(shù)控沖床G代碼。

　　代碼編寫好后，可通過下載線將程序下載到MC單元中。

　　4.2 沖床選模功能實(shí)現(xiàn)

　　數(shù)控沖床選模功能的實(shí)現(xiàn)是基于MC單元的M指令。M指令中的信息用于在定位操作過程中和外圍設(shè)備聯(lián)鎖，外圍設(shè)備直接和CPU單元和MC單元的常規(guī)輸出相連。

　　本次設(shè)計(jì)的數(shù)控沖床有24個(gè)工位，每個(gè)工位上有不同的沖模。數(shù)控沖床在工作時(shí)，按照G代碼要求，自動(dòng)選擇相應(yīng)的工位。

　　主要的設(shè)計(jì)思路：使用3個(gè)地址，一個(gè)存上次的工位號(hào)，如4。一個(gè)存本次的工位號(hào)，如13。還有一個(gè)存上次工位號(hào)與本次工位號(hào)差的絕對(duì)值。然后通過計(jì)算，得到值，來控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而使選模轉(zhuǎn)盤從4號(hào)工位移動(dòng)到13號(hào)工位。

　　工位差獲得的具體流程如圖5如示,工位差值的絕對(duì)值最后放在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)D00502中。

　　設(shè)置M01-M24依次為24個(gè)工位選擇的指令。在獲得工位差的絕對(duì)值后，通過相關(guān)梯形圖判斷語句，利用G代碼中的M指令，選擇所要的模具工位。

　　注意點(diǎn)：為了避免誤操作，在使用數(shù)控沖床前，應(yīng)先校正數(shù)控沖床，使1號(hào)模具在工作位置上。因此在主梯形圖中要將模具1信號(hào)送給PLC，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，便于以后的正確選模。

　　4.3 模具定位的實(shí)現(xiàn)

　　模具定位的實(shí)現(xiàn)是基于MC單元的D代碼。D代碼是預(yù)先設(shè)置的在定位完成后輸出的代碼。D代碼（0-255）作為中斷任務(wù)號(hào)輸出到CPU單元中，以執(zhí)行CPU單元中的中斷任務(wù)。

　　當(dāng)執(zhí)行G語言到D05，將中斷任務(wù)號(hào)05輸出到CPU單元，以執(zhí)行CPU單元中的中斷任務(wù)。

　　中斷任務(wù)05的梯形圖如圖6所示。所示。進(jìn)入中斷任務(wù)05，用一個(gè)SET 指令使控制定位銷的000100得電，從而完成松定位銷功能。

　　當(dāng)執(zhí)行G語言到D04，將中斷任務(wù)號(hào)04輸出到CPU單元，以執(zhí)行CPU單元中的中任務(wù)。

　　中斷任務(wù)04的梯形圖如圖7所示。進(jìn)入中斷任務(wù)04，用一個(gè)RSET 指令使控制定位銷的000100失電，從而完成插定位銷功能。

　　4.4 主運(yùn)動(dòng)的控制

　　數(shù)控沖床的主運(yùn)動(dòng)為伺服電機(jī)通過機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)沖頭工作，沖頭工作的過程為沖下、提升兩個(gè)過程。使用MC單元的Z軸來實(shí)現(xiàn)沖孔功能。使用Z X指令，其中X為沖頭上下運(yùn)動(dòng)的距離，具體的數(shù)值通過機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)計(jì)算得到。

　　4.5 工作平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的控制

　　工作平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制為X,Y方向的移動(dòng)。使用MC單元的X,Y軸來實(shí)現(xiàn)該功能。使用指令，類似于一般的數(shù)控機(jī)床編程，如G00 X0 Y10。即由MC單元執(zhí)行該指令，控制相應(yīng)的伺服電機(jī)，使工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)到指定位置。

5 結(jié)論

　　本文介紹了一種基于PLC的數(shù)控沖床的控制系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)的解決。該數(shù)控系統(tǒng)具有經(jīng)濟(jì)性好，可靠性高等特點(diǎn)。經(jīng)過前期的試驗(yàn)，能夠很好地滿足顧客要求，具有很大的市場(chǎng)前景。