西門子802D系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床電動(dòng)刀架PLC控制

雷楠南

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 河南 三門峽 472000）

一、引 言

數(shù)控車床的自動(dòng)換刀過(guò)程通常由PLC控制回轉(zhuǎn)刀架來(lái)實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際使用過(guò)程中回轉(zhuǎn)刀架有兩種：電動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架和液壓回轉(zhuǎn)刀架。電動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制且經(jīng)濟(jì)性好等原因，廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床。液壓刀架結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、但刀具容量大、換刀速度快，且定位準(zhǔn)確，所以廣泛應(yīng)用于高檔數(shù)控車床[1]287-289。電動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架通常由底座、刀架體、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、蝸輪蝸桿、螺紋升降機(jī)構(gòu)、端面齒牙盤和刀位檢測(cè)裝置等部件組成，刀具可通過(guò)刀架體上部的螺釘夾緊于刀架體上，刀架定位利用端面齒牙盤實(shí)現(xiàn)[2]231-232。在數(shù)控車床上,電動(dòng)刀架換刀控制通常涉及CNC輔助功能T指令控制與PLC控制，所以換刀控制PLC程序設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮CNC系統(tǒng)信號(hào)與PLC信號(hào)處理。以配置西門子802D系統(tǒng)的數(shù)控車床為例，因?yàn)镻LC集成在數(shù)控系統(tǒng)上，所以編制換刀控制PLC程序時(shí)，要先分析控制要求，弄清編程涉及的接口信號(hào)，然后可參照西門子系統(tǒng)換刀控制子程序編制出合適的換刀控制程序。

二、西門子802D系統(tǒng)數(shù)控車床電動(dòng)刀架換刀控制流程

（一）電動(dòng)刀架換刀控制過(guò)程

電動(dòng)刀架換刀的一般過(guò)程為：刀架抬起、刀架轉(zhuǎn)位、刀架定位和刀架鎖緊四步[2]231-232。電動(dòng)刀架換刀控制有兩種，手動(dòng)換刀與自動(dòng)換刀：手動(dòng)換刀指的是在手動(dòng)JOG操作方式有效時(shí)，按下?lián)Q刀按鍵，刀架體轉(zhuǎn)位至下一把刀具；自動(dòng)換刀，即當(dāng)CNC系統(tǒng)在執(zhí)行數(shù)控加工程序過(guò)程中，讀入并執(zhí)行換刀T指令時(shí)，刀架實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)換刀的方式。以四工位的電動(dòng)刀架為例，在自動(dòng)換刀方式下，CNC系統(tǒng)讀入編程刀號(hào)后，首先應(yīng)判斷編程刀號(hào)，若編程刀號(hào)不為0、不等于當(dāng)前刀號(hào)且T代碼正確（T代碼指令刀號(hào)范圍應(yīng)為1至4）情況下才能進(jìn)行換刀。當(dāng)T指令刀具換刀到位后，刀架電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)并延時(shí)，延時(shí)時(shí)間到后刀架電機(jī)進(jìn)行反轉(zhuǎn)鎖緊，換刀過(guò)程完成。手動(dòng)換刀時(shí)，按下?lián)Q刀按鍵，刀架轉(zhuǎn)位至下一把刀具，控制流程較為簡(jiǎn)單。為便于換刀PLC程序設(shè)計(jì)，繪制出數(shù)控車床電動(dòng)刀架的控制流程如圖1所示[3]92-95。

圖1 電動(dòng)刀架換刀控制流程

（二）西門子802D系統(tǒng)電動(dòng)刀架換刀控制相關(guān)信號(hào)

在實(shí)現(xiàn)電動(dòng)刀架換刀控制時(shí)，西門子數(shù)控系統(tǒng)廠家為方便用戶使用，專門設(shè)計(jì)了PLC子程序庫(kù)。在西門子802D系統(tǒng)上，涉及電動(dòng)刀架控制的子程序?yàn)镾BR46(TURRET1)[4]148-150。一般情況下，在實(shí)際機(jī)床使用過(guò)程中，用戶會(huì)根據(jù)刀架控制要求對(duì)子程序進(jìn)行修改和完善。但是，不論是基于子程序修改方式或重新編制換刀控制程序，在實(shí)現(xiàn)電動(dòng)刀架控制時(shí)所涉及的控制信號(hào)及編程地址應(yīng)保持一致，802D系統(tǒng)涉及換刀控制的信號(hào)如表1所示。

表1 802D系統(tǒng)電動(dòng)刀架控制信號(hào)表

V25000001.4 TF 來(lái)自CNC的T修改信號(hào)來(lái)自CNC的32位二進(jìn)制T代碼信號(hào)V27000000.1 CNC急停VD25002000 T代碼輸出來(lái)自CNC的急停狀態(tài)信號(hào)V31000000.2 JOG方式來(lái)自CNC的JOG操作方式信號(hào)V32000006.0 進(jìn)給使能禁止輸出至CNC的通道進(jìn)給使能禁止V32000006.1 讀入使能禁止輸出至CNC的通道讀入使能禁止LW0 VW45000040刀架最大刀位數(shù)用戶數(shù)據(jù)MD14510[20]設(shè)定值LW2 MW90 反轉(zhuǎn)鎖緊時(shí)間用戶數(shù)據(jù)MD14510[22]設(shè)定值LW4 MW92 最大選刀時(shí)間用戶數(shù)據(jù)MD14510[21]設(shè)定值L6.0 V10000000.3 MCPK4鍵定義MCP按鍵K4為手動(dòng)換刀鍵L7.4 V11000000.3 MCPK4 指示燈MCP手動(dòng)換刀按鍵K4指示燈V10000003.0 MCPNC 復(fù)位鍵MCP NC復(fù)位鍵輸入L6.1 M101.0 刀位1測(cè)輸入 PLC輸入I1.0 L6.2 M101.1 刀位2測(cè)輸入 PLC輸入I1.1 L6.3 M101.2 刀位3測(cè)輸入 PLC輸入I1.2 L6.4 M101.3 刀位4測(cè)輸入 PLC輸入I1.3 L7.1 刀架電機(jī)過(guò)載刀架電機(jī)過(guò)載輸入，接常閉觸點(diǎn)L7.2 M102.4 刀架正轉(zhuǎn)輸出 PLC輸出Q0.4

L7.3 M102.5 刀架反轉(zhuǎn)輸出 PLC輸出Q0.5 L7.6 V16000002.7報(bào) 警700023編程刀具號(hào)大于刀架最大刀位數(shù)L7.7 V16000003.0報(bào) 警700024在監(jiān)控時(shí)間內(nèi)未找到目標(biāo)刀具L7.5 V16000003.1報(bào) 警700025 刀架無(wú)位置檢測(cè)信號(hào)L8.0 刀架電機(jī)過(guò)載報(bào)警信號(hào)LD12 32位二進(jìn)制編碼的實(shí)際刀位LD16 32位二進(jìn)制編碼的最大刀號(hào)LD20 32位二進(jìn)制編碼的CNC編程指令刀號(hào)M112.0 刀架正轉(zhuǎn)指令M112.1 刀架反轉(zhuǎn)指令M112.6 編程指令刀號(hào)為0 M112.7 編程指令刀號(hào)和實(shí)際刀位一致M113.1 T代碼換刀起動(dòng)

三、電動(dòng)刀架換刀程序編制

根據(jù)前述電動(dòng)刀架換刀控制流程，下面以CK6140數(shù)控車床電動(dòng)刀架換刀控制為例，編制換刀控制程序。在編制換刀控制PLC程序時(shí)，首先應(yīng)編制刀位檢測(cè)程序如圖2所示。在自動(dòng)換刀過(guò)程中，為防止編程T代碼錯(cuò)誤，通常要編制程序讀入用戶設(shè)定的最大刀位數(shù)。因此，在圖2所示第一行程序便是將用戶數(shù)據(jù)MD14510[20]設(shè)定的16位二進(jìn)制格式“最大刀位數(shù)”轉(zhuǎn)換成32位二進(jìn)制格式并保存在局部變量LD16上。如此處電動(dòng)刀架為四工位，則最大刀位數(shù)設(shè)定值為4。在后續(xù)換刀程序中，CNC系統(tǒng)讀入編程T代碼后，要將T代碼數(shù)值與LD16中數(shù)值進(jìn)行比較，只有T代碼數(shù)值小于LD16中設(shè)定的最大刀位數(shù)值時(shí)，T代碼才有實(shí)際意義。因?yàn)榈都転樗墓の浑妱?dòng)刀架，所以編程時(shí)只需讀入四個(gè)刀位信號(hào)。由于機(jī)床類型為數(shù)控車床，所以CNC用戶數(shù)據(jù)MD14510[16]應(yīng)設(shè)定為“0”，即變量 VW45000032 值為“0”，該觸點(diǎn)接通；若CNC用戶數(shù)據(jù)MD14510[11]bit7設(shè)定為“1”時(shí)，表示電動(dòng)刀架有效即變量VW45001011.7值為“1”，該觸點(diǎn)接通；由此便可將局部變量L6.1至L6.4輸入的刀位檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為32位二進(jìn)制格式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在LD12中。在生產(chǎn)實(shí)際中，刀架無(wú)論處于某一刀位必有一個(gè)位置檢測(cè)信號(hào)。如果刀架處于停止?fàn)顟B(tài)則表明刀架無(wú)正反轉(zhuǎn)信號(hào)輸入，即 M112.0、M112.1為“0”。此時(shí)，若刀架無(wú)位置檢測(cè)信號(hào)輸入，則LD12中數(shù)值為0，從而接通局部變量L7.5，使CNC報(bào)警變量V16000003.1為“1”，顯示用戶報(bào)警700025：“刀架無(wú)位置檢測(cè)信號(hào)”。

圖2 刀位轉(zhuǎn)換控制PLC梯形圖程序設(shè)計(jì)

當(dāng)數(shù)控車床通過(guò)編程T代碼指令實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀時(shí)，可編制如圖3所示PLC程序。在西門子802D系統(tǒng)上，當(dāng)CNC讀入編程T代碼指令時(shí)，其譯碼數(shù)值存儲(chǔ)于變量VD25002000。同時(shí)，來(lái)自CNC的T代碼修改信號(hào)TF選通，即變量V25000001.4為“1”。利用該觸點(diǎn)接通的上升沿信號(hào)可將編程指令中的32位二進(jìn)制T代碼刀號(hào)讀入并輸出到LD20。若編程T代碼數(shù)值小于用戶設(shè)定的最大刀位數(shù)，即LD20數(shù)值小于刀架刀位設(shè)定值LD16，則表示編程指令中指定的刀號(hào)正確，通過(guò)取反指令使“編程刀具號(hào)大于刀架最大刀位數(shù)”信號(hào)L7.6為“0”；接著，要進(jìn)一步判斷LD20中的 T代碼數(shù)值是否為“0”；若為“0”則“編程刀號(hào)為0”信號(hào)M112.6為“1”，由于實(shí)際生產(chǎn)中無(wú)0號(hào)刀，所以電動(dòng)刀架無(wú)換刀動(dòng)作。最后，再利用一致性判別指令判斷存儲(chǔ)于LD20中的編程指令T代碼數(shù)值與LD12中的實(shí)際刀位T代碼數(shù)值是否相等，若相等則表示編程刀位到達(dá)，即“編程刀號(hào)與實(shí)際到位一致”信號(hào)M112.7為“1”，無(wú)需換刀。由此可見(jiàn)，只有當(dāng)LD20中的T代碼數(shù)值小于刀架刀位設(shè)定值LD16，且LD20中的T代碼數(shù)值不為“0”，電動(dòng)刀架才具備換刀條件。

圖3 自動(dòng)換刀控制PLC梯形圖程序設(shè)計(jì)

當(dāng)電動(dòng)刀架滿足換刀條件、執(zhí)行自動(dòng)換刀時(shí)，應(yīng)編制PLC程序?qū)崿F(xiàn)刀架正轉(zhuǎn)換刀與反轉(zhuǎn)鎖緊控制如圖3所示后續(xù)程序。由于換刀前，刀架處于停止?fàn)顟B(tài)，所以“刀架停止”信號(hào) L8.1為“1”；當(dāng) LD20中的T代碼數(shù)值小于刀架刀位設(shè)定值LD16，且LD20中的T代碼數(shù)值不為“0”時(shí)，則L7.6信號(hào)為“0”、M112.6為“0”；若LD20中的編程指令T代碼與LD12中的實(shí)際刀位T代碼不相等，則M112.7信號(hào)為“0”；此時(shí)，如果T代碼修改信號(hào)TF選通時(shí)V25000001.4為“1”，可利用上升沿信號(hào)置位“刀架正轉(zhuǎn)”信號(hào)M112.0和“T代碼自動(dòng)換刀起動(dòng)”信號(hào)M113.1，實(shí)現(xiàn)刀架回轉(zhuǎn)換刀。刀架回轉(zhuǎn)換刀時(shí)，應(yīng)禁止下一程序段的讀入和進(jìn)給，使CNC進(jìn)入輔助功能執(zhí)行等待狀態(tài)，所以編程時(shí)必須使CNC進(jìn)給禁止使能信號(hào)V32000006.0、讀入使能禁止信號(hào)V32000006.1置位為“1”。當(dāng)換刀結(jié)束時(shí)，即LD20中的編程指令T代碼與LD16中的實(shí)際刀位T代碼相等，則表示編程的刀位到達(dá)，“編程刀號(hào)與實(shí)際到位一致”信號(hào)M112.7變?yōu)椤?”，利用最后一行程序執(zhí)行上升沿信號(hào)，復(fù)位“刀架正轉(zhuǎn)”信號(hào)M112.0，同時(shí)置位“刀架反轉(zhuǎn)”信號(hào)M112.1，使刀架反轉(zhuǎn)鎖緊。

圖4 手動(dòng)換刀控制PLC梯形圖程序設(shè)計(jì)

數(shù)控車床采用手動(dòng)換刀方式時(shí)，可編制手動(dòng)換刀控制PLC程序如圖4所示。只要將CNC操作方式選擇在JOG方式，則變量V31000000.2信號(hào)為“1”。由于換刀起動(dòng)前，刀架處于停止?fàn)顟B(tài)，所以“刀架停止”信號(hào)L8.1為“1”。當(dāng)按下機(jī)床操作面板上的換刀按鍵K4時(shí)，L6.0信號(hào)為“1”。利用該信號(hào)的上升沿可置位“刀架正轉(zhuǎn)”信號(hào)M112.0為“1”，起動(dòng)刀架回轉(zhuǎn)；松開(kāi)換刀按鍵時(shí)，L6.0信號(hào)為“0”，利用該信號(hào)的下降沿可置位“刀架反轉(zhuǎn)”信號(hào)M112.1為“1”，使刀架反轉(zhuǎn)鎖緊；同時(shí)復(fù)位“刀架正轉(zhuǎn)”信號(hào)M112.0為“0”，清除刀架正轉(zhuǎn)信號(hào)。

電動(dòng)刀架在換刀過(guò)程中，為了保證刀架選刀及鎖緊正確，通常設(shè)計(jì)刀架反轉(zhuǎn)鎖緊及最大選刀時(shí)間監(jiān)控PLC程序如圖5所示。不論是自動(dòng)換刀還是手動(dòng)換刀，只要“刀架反轉(zhuǎn)”鎖緊信號(hào)M112.1為“1”，首先會(huì)接通反轉(zhuǎn)鎖緊時(shí)間控制定時(shí)器T14；當(dāng)定時(shí)器T14定時(shí)時(shí)間達(dá)到用戶數(shù)據(jù)MD14510[22]設(shè)定的反轉(zhuǎn)鎖緊時(shí)間LW2時(shí)，T14常開(kāi)觸點(diǎn)接通便可復(fù)位“刀架反轉(zhuǎn)”信號(hào)M112.1、“T代碼換刀起動(dòng)”信號(hào)M113.1；同時(shí)，要結(jié)束輔助功能控制，進(jìn)行下一程序段的讀入和進(jìn)給，就必須復(fù)位進(jìn)給禁止使能信號(hào)V32000006.0和讀入使能禁止信號(hào)V32000006.1。此外，當(dāng)“T代碼換刀起動(dòng)”信號(hào) M113.1為“1”，且“刀架正轉(zhuǎn)”信號(hào)M112.0為“1”時(shí)，可接通定時(shí)器T15用于監(jiān)控最大選刀時(shí)間。若刀架正轉(zhuǎn)換刀過(guò)程時(shí)間超過(guò)用戶數(shù)據(jù)MD14510[21]設(shè)定的最大換刀時(shí)間LW4，定時(shí)器T15常開(kāi)觸點(diǎn)接通便可復(fù)位“刀架正轉(zhuǎn)”信號(hào)M112.0，停止刀架轉(zhuǎn)動(dòng)；并置位L7.7并使報(bào)警變量V16000003.0為“1”，使CNC顯示700024報(bào)警：“在監(jiān)控時(shí)間內(nèi)未找到目標(biāo)刀具”。

圖5 刀架反轉(zhuǎn)鎖緊及選刀時(shí)間監(jiān)控PLC梯形圖程序設(shè)計(jì)

如圖6所示PLC程序?yàn)殡妱?dòng)刀架控制信號(hào)輸出程序。在電動(dòng)刀架換刀過(guò)程中，若按下機(jī)床操作面板MCP上的NC復(fù)位按鍵，則V10000003.0信號(hào)為“1”，可直接復(fù)位“刀架正轉(zhuǎn)”信號(hào)M112.0、“刀架反轉(zhuǎn)”信號(hào) M112.1、“T 代碼換刀起動(dòng)”信號(hào) M113.1、報(bào)警信號(hào)L7.7，以及復(fù)位進(jìn)給禁止使能信號(hào)V32000006.0和讀入使能禁止信號(hào)V32000006.1。當(dāng)松開(kāi)急停按鈕且刀架電機(jī)不發(fā)生過(guò)載情況下，急停狀態(tài)信號(hào)V27000000.1為“0”、“刀架電機(jī)過(guò)載輸入”信號(hào) L7.1 為“1”；若“刀架正轉(zhuǎn)”信號(hào) M112.0 為“1”、“刀架反轉(zhuǎn)”信號(hào)M112.1為“0”，則“正轉(zhuǎn)輸出”信號(hào)L7.2為“1”；同理，若“刀架反轉(zhuǎn)”信號(hào) M112.1為“1”、“刀架正轉(zhuǎn)”信號(hào) M112.0 為“0”，則“反轉(zhuǎn)輸出”信號(hào) L7.3為“1”；程序中串聯(lián) M112.0、M112.1的常閉觸點(diǎn)用于正反轉(zhuǎn)輸出的互鎖控制。當(dāng)按下急停按鈕時(shí)，急停狀態(tài)信號(hào)V27000000.1為“1”；或刀架電機(jī)發(fā)生過(guò)載情況時(shí)，“過(guò)載輸入”信號(hào)L7.1為“0”。當(dāng)發(fā)生急?；虻都茈姍C(jī)過(guò)載任意一種情況時(shí)，均可斷開(kāi)正反轉(zhuǎn)信號(hào)輸出。此外，刀架電機(jī)過(guò)載時(shí)，“過(guò)載輸入”信號(hào)L7.1為“0”，可利用L7.1的常閉觸點(diǎn)接通L8.0，輸出刀架電機(jī)過(guò)載報(bào)警信號(hào)。刀架正反轉(zhuǎn)信號(hào)正常情況下，可接通L7.4，作為換刀按鍵K4指示燈輸出信號(hào)。電動(dòng)刀架換刀控制PLC程序一般由上述幾部分組成，用戶編程時(shí)可根據(jù)控制要求自行編寫，也可基于西門子系統(tǒng)提供的子程序進(jìn)行修改以達(dá)到控制目的。

圖6 刀架輸出信號(hào)PLC梯形圖程序設(shè)計(jì)

四、結(jié)語(yǔ)

文中詳細(xì)分析了數(shù)控車床電動(dòng)刀架的換刀控制流程，并以西門子802D系統(tǒng)為例介紹了電動(dòng)刀架換刀控制相關(guān)接口信號(hào)。然后，以CK6140數(shù)控車床四工位電動(dòng)刀架換刀控制為例，介紹了換刀控制PLC程序編制方法。目前，西門子數(shù)控系統(tǒng)PLC編程技術(shù)資料相對(duì)較少、程序編制復(fù)雜且較難理解，通過(guò)完整的換刀程序編制及說(shuō)明，一方面可為編程人員提供參考，另一方面在涉及到換刀控制系統(tǒng)故障時(shí)，可幫助數(shù)控維修人員識(shí)讀相應(yīng)PLC程序，迅速判斷故障點(diǎn)，排除故障。

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