0、前言

　　數(shù)控加工中心與一般數(shù)控機床相比因帶有由刀庫和機械手組成的自動換刀裝置（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間。同時消除了由于多次裝夾造成的定位誤差，比一般數(shù)控機床更能實現(xiàn)高精度、高效率、高度自動化加工。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角、在不同方向上的加工以及機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到取刀位置，實現(xiàn)自動選刀；然后由機械手從刀庫和主軸上取出刀具，進行刀具交換，將新刀具裝進主軸，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定位的依據(jù)。

　　基于 PLC的控制方式特點是有獨立的CPU、存儲器等微機系統(tǒng)，使用程序控制方式，無觸點，串行方式，成品組裝，可靠性極強，安裝、使用、維護、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)的應用做了有關的探討和研究，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)實現(xiàn)加工零件程序的編制及自動加工、編輯程序參數(shù)、數(shù)字化、刀庫機械手自動換刀、分度頭立面、斜面的自動分度，多主軸控制、與PLC 等外部設備的數(shù)據(jù)通訊、顯示報警、編輯機床數(shù)據(jù)、協(xié)調各主軸的自動運行等等功能。

　　伺服放大單元對CNC 輸出信號進行處理，達到變頻調速的目的，然后輸出給伺服電機。X、Y 放大單元采用日本FANUC30 型，Z軸采用日本FANUC30B，帶制動刀庫電機伺服采用FANUC10 型，電機內均裝有編碼器進行速度反饋，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械手，萬能銑頭分度的正確與否直接關系到機械手的換刀和加工精度，采用PLC 對分度頭進行控制，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試時間，其具體設計如圖1：

圖1  PLC對分度頭的控制裝置

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

　　主軸電機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的轉速反饋到CNC 控制系統(tǒng)，從而控制分度的度數(shù)。當立面斜面液壓系統(tǒng)夾緊時，主軸電機轉動帶動主軸旋轉進行機械加工；當?shù)稁鞕C械換刀時，立面、斜面均回到零度位置進行換刀。

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 內部譯碼主軸旋轉方向M03、M04、M05 及編程速度， 再經(jīng)主軸指令值的輸出口驅主軸伺服單元(或變頻器)，從而實現(xiàn)主軸轉速控制。(2) 由PLC 控制主軸：由NC 發(fā)出主軸速度和旋轉方向的控制命令，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，驅動主軸伺服單元。

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

　　VITBR 地址為%R1C.W，主軸速度參考值， 包含了在相應轉速范圍內（由機床參數(shù)設置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 ， 主軸速度設定值， 第 15 位為符號位。

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

　　3.2、通過PLC 實現(xiàn)多主軸控制

　　多主軸控制的基本思想是：在系統(tǒng)只提供一個主軸控制通道和S 字地址時， 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 值時才能輸出。

　　零件程序格式設計如下：

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

　　其中，M 03 為主軸正轉指令；M 04 為主軸反轉指令；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 時無效。

　　一般 CNC 系統(tǒng)沒有提供第二主軸輸出接口和驅動單元，但是一般的CNC 系統(tǒng)都提供了模擬量輸進/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也放在模擬量輸進口。這些也要由PLC 用戶程序完成。通過PLC 實現(xiàn)多主軸控制的原理框圖如圖2。

圖2  PLC 實現(xiàn)多主軸控制的原理框圖

4、對刀具的識別與選刀

　　4.1、刀具識別與選刀的方法

　　加工中心由計算機數(shù)控裝置(CNC) 發(fā)出選刀指令，將刀庫轉到所需刀具號的取刀位置的過程稱自動選刀。自動選刀有兩種方法：順序選刀和隨機選刀。順序選刀方法是刀具按預定工序的先后順序插進刀庫中，使用時按順序轉到取刀位置，用過的刀具放回原來的刀座內。特點是不需要刀具識別裝置，驅動裝置簡單，工作可靠，但刀庫中每把刀具在不同的工序中不能重復使用，假如刀具不按順序裝在刀庫中，將會產(chǎn)生嚴重的后果。

　　隨機選刀方法是根據(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，自動換刀時，刀庫旋轉，每把刀具都經(jīng)過“刀具識別”，當?shù)毒叽a與CNC 指令代碼相符時，該刀具被選中，刀庫旋轉將刀具送到換刀位置。

　　4.2、可編程控制器(PLC) 實現(xiàn)隨機選刀

　　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，該方式主要應用軟件來完成選刀。消除了由于識刀裝置的穩(wěn)定性、可靠性帶來的選刀失誤。

　　4.2.1 刀具號和刀座號的同一

　　為說明方便，以刀庫8 把刀為例，刀庫有8 個刀座，可放8 把刀具。實際使用根據(jù)刀庫的實際而定。為方便使用BCD 碼表示，刀座固定位置編號為方框內1～8 號，O 為主軸刀位置號，如圖3 左邊所示。

圖3  刀庫模擬圖及刀號對照數(shù)據(jù)表

　　在PLC 內部建立模擬刀庫的數(shù)據(jù)表，數(shù)據(jù)表的表序號D0～D8 刀庫刀座編號逐一對應，每個表序號(D0～D8 ) 的內容即為刀具號，D0 的內容(D0 ) 為主軸上的刀具號。當?shù)稁煨D時，每個刀座通過換刀位置時，給PLC 輸進脈沖，當?shù)稁煺D時，使計數(shù)脈沖加1 ，反轉時計數(shù)脈沖減1，PLC 內部計數(shù)器的值始終在1～8 間循環(huán)，且當前值即是刀庫當前刀座號位置，如圖3 右邊所示。

　　4.2.2 選刀的流程分析

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

　　置比較計算刀庫的轉向和相差的“間隔”，計算結果給刀庫軸發(fā)出總的脈沖數(shù)和脈沖頻率，使所需的刀座號轉到換到位置，為刀庫、機械手、主軸間的換刀作好預備。換刀流程圖如圖4 所示。

圖4 換刀流程圖

5、PROFIBUS-DP 實現(xiàn)實時通訊

　　現(xiàn)場總線（PROFIBUS）技術是實現(xiàn)現(xiàn)場級設備數(shù)字化通訊的一種產(chǎn)業(yè)層網(wǎng)絡通訊技術。應用現(xiàn)場技術可用一條電纜將現(xiàn)場設備智能化，帶有通訊接口連接，使用數(shù)字化通訊代替4～20mA/24VDC信號，完成現(xiàn)場設備控制、監(jiān)測、遠程數(shù)字化等功能。由于現(xiàn)場總線的自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用計算機數(shù)字化通訊技術，使自動化系統(tǒng)與設備加進工廠信息網(wǎng)絡，成為企業(yè)信息網(wǎng)絡底層，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、驅動器等。從站性能指標首先滿足現(xiàn)場設備控制需要，再考慮PROFIBUS 接口題目，一些從站不具備PROFIBUS 接口，考慮外接PROFIBUS轉接口。

6、結論與展看

　　數(shù)控加工中心是綜合應用機械發(fā)展的新成就，并運用現(xiàn)代電子、丈量計算機等新技術，是機電一體化的結晶，目前已成為機械制造發(fā)展的重要方向。近年來， PLC 已具有強大的運算能力，良好的通訊功能，極高的處理速度，已獲得廣泛的應用。PLC技術具有成品組裝，可靠性極強，安裝、使用、維護、維修方便的特點。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。希看本文的有關技術研究給該領域的研究者帶來一定的啟發(fā)和裨益。

　　本文作者創(chuàng)新點：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，安裝、使用、維護、維修方便等優(yōu)點，同時實時性也得到大大改善。