0、前言

　　數(shù)控加工中心與一般數(shù)控機(jī)床相比因帶有由刀庫和機(jī)械手組成的自動(dòng)換刀裝置（ATC）使工件能在一次裝夾中完成大部分甚至全部工序，因而大大減少了裝卸工件和換刀輔助時(shí)間。同時(shí)消除了由于多次裝夾造成的定位誤差，比一般數(shù)控機(jī)床更能實(shí)現(xiàn)高精度、高效率、高度自動(dòng)化加工。數(shù)控加工中心控制中的分度頭控制、多主軸控制以及對刀具的識(shí)別與選刀是影響加工中心工作性能的穩(wěn)定和加工精度的關(guān)鍵部分。分度頭是安裝在主軸上的裝置，控制其在立面和斜面上的不同的轉(zhuǎn)角、在不同方向上的加工以及機(jī)械手插刀和撥刀的精度。而ATC 是根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)選刀指令，從刀庫中將所需要的刀具轉(zhuǎn)到取刀位置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)選刀；然后由機(jī)械手從刀庫和主軸上取出刀具，進(jìn)行刀具交換，將新刀具裝進(jìn)主軸，用過的舊刀具放回刀庫。而不同的刀具就涉及到了多個(gè)對加工主軸的控制，多主軸控制的穩(wěn)定性是保證加工中心正確工作和精準(zhǔn)定位的依據(jù)。

　　基于 PLC的控制方式特點(diǎn)是有獨(dú)立的CPU、存儲(chǔ)器等微機(jī)系統(tǒng)，使用程序控制方式，無觸點(diǎn)，串行方式，成品組裝，可靠性極強(qiáng)，安裝、使用、維護(hù)、維修方便，系統(tǒng)易更新?lián)Q代。本文基于西門子的840D 數(shù)控系統(tǒng)對PLC 在加工中心數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用做了有關(guān)的探討和研究，對以上題目做出了解決方案。

1、數(shù)控系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)

　　研究對象的數(shù)控系統(tǒng)采用德國西門子公司840D 數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)加工零件程序的編制及自動(dòng)加工、編輯程序參數(shù)、數(shù)字化、刀庫機(jī)械手自動(dòng)換刀、分度頭立面、斜面的自動(dòng)分度，多主軸控制、與PLC 等外部設(shè)備的數(shù)據(jù)通訊、顯示報(bào)警、編輯機(jī)床數(shù)據(jù)、協(xié)調(diào)各主軸的自動(dòng)運(yùn)行等等功能。

　　伺服放大單元對CNC 輸出信號(hào)進(jìn)行處理，達(dá)到變頻調(diào)速的目的，然后輸出給伺服電機(jī)。X、Y 放大單元采用日本FANUC30 型，Z軸采用日本FANUC30B，帶制動(dòng)刀庫電機(jī)伺服采用FANUC10 型，電機(jī)內(nèi)均裝有編碼器進(jìn)行速度反饋，主軸伺服采用FANUC15S。光柵采用意大利生產(chǎn)的自帶放大器的LS704 和LB326。

2、對分度頭的控制

　　由于數(shù)控加工中心帶有刀庫機(jī)械手，萬能銑頭分度的正確與否直接關(guān)系到機(jī)械手的換刀和加工精度，采用PLC 對分度頭進(jìn)行控制，檢測分度頭分度的精度，大大增縮短了數(shù)控仿形加工中心的調(diào)試時(shí)間。

　　主軸電機(jī)連在servo unit 的T1、T2 接線上，電機(jī)帶動(dòng)主軸箱旋轉(zhuǎn)從而帶動(dòng)分度頭分度或旋轉(zhuǎn),編碼器安裝在分度頭上檢測分度頭旋轉(zhuǎn)角度,反饋信號(hào)接到伺服單元的CNA 插座上,PLC 的I/O 端與伺服單元的CN1 和外部繼電保護(hù)相連接。數(shù)碼撥盤的輸出給servo unit的CNC ,以控制電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。通過對主軸單元A06B - 6059 - H215 # 516 和準(zhǔn)停電路A06B -6059 - J130 的參數(shù)和短路棒設(shè)定使其運(yùn)行。

　　主軸電機(jī)控制分度頭在立面和斜面的分度的度數(shù)，最大分辨率0.08°，由液壓系統(tǒng)控制立面、斜面的松開，從而控制立面斜面的分度，由主軸編碼器檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋到CNC 控制系統(tǒng)，從而控制分度的度數(shù)。當(dāng)立面斜面液壓系統(tǒng)夾緊時(shí)，主軸電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)進(jìn)行機(jī)械加工；當(dāng)?shù)稁鞕C(jī)械換刀時(shí)，立面、斜面均回到零度位置進(jìn)行換刀。

3、對多主軸的控制

　　3.1、840D對多主軸變量的定義

　　在現(xiàn)有的數(shù)控系統(tǒng)中，一般都提供兩種主軸控制方式：(1) 由NC 直接控制主軸，在NC 內(nèi)部譯碼主軸旋轉(zhuǎn)方向M03、M04、M05 及編程速度， 再經(jīng)主軸指令值的輸出口驅(qū)主軸伺服單元(或變頻器)，從而實(shí)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速控制。(2) 由PLC 控制主軸：由NC 發(fā)出主軸速度和旋轉(zhuǎn)方向的控制命令，以數(shù)據(jù)形式編譯后存放在PLC 用戶數(shù)據(jù)區(qū)，經(jīng)過處理再把數(shù)據(jù)返回到NC，驅(qū)動(dòng)主軸伺服單元。

　　通過NC 直接控制主軸，簡單方便，但不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制要求。通過PLC 來控制主軸，可以加進(jìn)人為控制要求，對主軸可做更多處理。所以，多主軸控制可以通過PLC 來實(shí)現(xiàn)。在西門子840D 數(shù)控系統(tǒng)中，采用PLC 控制主軸，相關(guān)變量的含義如下：

　　VITBR 地址為%R1C.W，主軸速度參考值， 包含了在相應(yīng)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)（由機(jī)床參數(shù)設(shè)置M 40～M 45 的范圍） 的速度參考值。零件程序中沒有M03 或M04 時(shí)該值為0。

　　COMBR 地址為%W23.0， 主軸控制使能位。

　　C_ VITBR 地址為%W24.W ， 主軸速度設(shè)定值， 第 15 位為符號(hào)位。

　　CRMg 地址為%W100.5，PLC 用戶程序中的M 功能執(zhí)行情況的標(biāo)志位，CNC沒有對每個(gè)M 功能執(zhí)行情況設(shè)置單獨(dú)標(biāo)志， 而是使用同一的標(biāo)志CRMg(g 表示軸組號(hào)， 1～8)。當(dāng)CRMg為0 時(shí)該段程序的未執(zhí)行部分不被執(zhí)行， CNC 等到CRMg為1 時(shí)， 零件程序中的后續(xù)指令方可執(zhí)行。

　　3.2、通過PLC 實(shí)現(xiàn)多主軸控制

　　多主軸控制的基本思想是：在系統(tǒng)只提供一個(gè)主軸控制通道和S 字地址時(shí)， 第二主軸的控制必須借用系統(tǒng)提供的主軸控制通道和S 字， 在 PLC 用戶程序中將其讀取， 并做轉(zhuǎn)向處理。而且第二主軸的控制命令中具有M 03鰙M 04 和S 值時(shí)才能輸出。

　　零件程序格式設(shè)計(jì)如下：

　　M 201 (M 202) [M 40～M 45 ] M 03 (M 04) S ;　　M 201 (M 202) M 05;

　　其中，M 03 為主軸正轉(zhuǎn)指令；M 04 為主軸反轉(zhuǎn)指令；M 201 為第一主軸選擇指令；

　　M 202 為第二主軸選擇指令；M 40～M 45 為速度范圍選擇指令，為可選指令，在 M 202 時(shí)無效。

　　一般 CNC 系統(tǒng)沒有提供第二主軸輸出接口和驅(qū)動(dòng)單元，但是一般的CNC 系統(tǒng)都提供了模擬量輸進(jìn)/輸出口，所以第二主軸輸出可以放在模擬量輸出口，采用變頻器控制。第二主軸的倍率輸進(jìn)也放在模擬量輸進(jìn)口。這些也要由PLC 用戶程序完成。

4、對刀具的識(shí)別與選刀

　　4.1、刀具識(shí)別與選刀的方法

　　加工中心由計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置(CNC) 發(fā)出選刀指令，將刀庫轉(zhuǎn)到所需刀具號(hào)的取刀位置的過程稱自動(dòng)選刀。自動(dòng)選刀有兩種方法：順序選刀和隨機(jī)選刀。順序選刀方法是刀具按預(yù)定工序的先后順序插進(jìn)刀庫中，使用時(shí)按順序轉(zhuǎn)到取刀位置，用過的刀具放回原來的刀座內(nèi)。特點(diǎn)是不需要刀具識(shí)別裝置，驅(qū)動(dòng)裝置簡單，工作可靠，但刀庫中每把刀具在不同的工序中不能重復(fù)使用，假如刀具不按順序裝在刀庫中，將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。

　　隨機(jī)選刀方法是根據(jù)指令要求任意選擇所需要的刀具，刀具在刀庫中是任意存放的。每把刀具(或刀座) 均編上代碼，自動(dòng)換刀時(shí)，刀庫旋轉(zhuǎn)，每把刀具都經(jīng)過刀具識(shí)別，當(dāng)?shù)毒叽a與CNC 指令代碼相符時(shí)，該刀具被選中，刀庫旋轉(zhuǎn)將刀具送到換刀位置。

　　4.2、可編程控制器(PLC) 實(shí)現(xiàn)隨機(jī)選刀

　　這種選刀方式中刀庫上的刀具能與主軸上的刀具任意直接的交換，該方式主要應(yīng)用軟件來完成選刀。消除了由于識(shí)刀裝置的穩(wěn)定性、可靠性帶來的選刀失誤。

　　4.2.1 刀具號(hào)和刀座號(hào)的同一

　　為說明方便，以刀庫8 把刀為例，刀庫有8 個(gè)刀座，可放8 把刀具。實(shí)際使用根據(jù)刀庫的實(shí)際而定。為方便使用BCD 碼表示，刀座固定位置編號(hào)為方框內(nèi)1～8 號(hào)，O 為主軸刀位置號(hào)。

　　在PLC 內(nèi)部建立模擬刀庫的數(shù)據(jù)表，數(shù)據(jù)表的表序號(hào)D0～D8 刀庫刀座編號(hào)逐一對應(yīng)，每個(gè)表序號(hào)(D0～D8 ) 的內(nèi)容即為刀具號(hào)，D0 的內(nèi)容(D0 ) 為主軸上的刀具號(hào)。當(dāng)?shù)稁煨D(zhuǎn)時(shí)，每個(gè)刀座通過換刀位置時(shí)，給PLC 輸進(jìn)脈沖，當(dāng)?shù)稁煺D(zhuǎn)時(shí)，使計(jì)數(shù)脈沖加1 ，反轉(zhuǎn)時(shí)計(jì)數(shù)脈沖減1，PLC 內(nèi)部計(jì)數(shù)器的值始終在1～8 間循環(huán)，且當(dāng)前值即是刀庫當(dāng)前刀座號(hào)位置，如圖3 右邊所示。

　　4.2.2 選刀的流程分析

　　當(dāng)PLC 接受到來自CNC尋找新刀具的指令時(shí)，在內(nèi)部的數(shù)據(jù)寄存器的模擬刀庫數(shù)據(jù)表中進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索，檢索到CNC給定的刀具號(hào)，該刀具號(hào)所在的刀座號(hào)位置與當(dāng)前的刀庫位

　　置比較計(jì)算刀庫的轉(zhuǎn)向和相差的間隔，計(jì)算結(jié)果給刀庫軸發(fā)出總的脈沖數(shù)和脈沖頻率，使所需的刀座號(hào)轉(zhuǎn)到換到位置，為刀庫、機(jī)械手、主軸間的換刀作好預(yù)備。

5、PROFIBUS-DP 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通訊

　　現(xiàn)場總線（PROFIBUS）技術(shù)是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場級設(shè)備數(shù)字化通訊的一種產(chǎn)業(yè)層網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)。應(yīng)用現(xiàn)場技術(shù)可用一條電纜將現(xiàn)場設(shè)備智能化，帶有通訊接口連接，使用數(shù)字化通訊代替4～20mA/24VDC信號(hào)，完成現(xiàn)場設(shè)備控制、監(jiān)測、遠(yuǎn)程數(shù)字化等功能。由于現(xiàn)場總線的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)數(shù)字化通訊技術(shù)，使自動(dòng)化系統(tǒng)與設(shè)備加進(jìn)工廠信息網(wǎng)絡(luò)，成為企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)底層，使企業(yè)信息溝通的覆蓋范圍一直延伸到現(xiàn)場。系統(tǒng)采用PC 機(jī)加PROFIBUS-DP 網(wǎng)卡作為一類主站，網(wǎng)卡具有PROFIBUS/DP/FMS 接口。

　　選擇與網(wǎng)卡配合使用的軟件包，軟件功能可決定PC 機(jī)作一類主站還是只作編程監(jiān)控的二類主站。從站選擇帶PROFIBUS 接口的PLC、分散式I/O、傳感器、驅(qū)動(dòng)器等。從站性能指標(biāo)首先滿足現(xiàn)場設(shè)備控制需要，再考慮PROFIBUS 接口題目，一些從站不具備PROFIBUS 接口，考慮外接PROFIBUS轉(zhuǎn)接口。

6、結(jié)論與展看

　　數(shù)控加工中心是綜合應(yīng)用機(jī)械發(fā)展的新成就，并運(yùn)用現(xiàn)代電子、丈量計(jì)算機(jī)等新技術(shù)，是機(jī)電一體化的結(jié)晶，目前已成為機(jī)械制造發(fā)展的重要方向。近年來， PLC 已具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力，良好的通訊功能，極高的處理速度，已獲得廣泛的應(yīng)用。PLC技術(shù)具有成品組裝，可靠性極強(qiáng)，安裝、使用、維護(hù)、維修方便的特點(diǎn)。PLC在數(shù)控加工中心中的推廣和使用必然使得數(shù)控加工中心的控制系統(tǒng)更加靈活、工作性能更加穩(wěn)定、加工精度更高、速度更快快、而功能更趨向于齊全。?？幢疚牡挠嘘P(guān)技術(shù)研究給該領(lǐng)域的研究者帶來一定的啟發(fā)和裨益。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：基于PLC的840D加工中心控制系統(tǒng)的新型解決方案，具有成品組裝，可靠性極強(qiáng)，安裝、使用、維護(hù)、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)實(shí)時(shí)性也得到大大改善。