西門子802D系統(tǒng)數(shù)控加工中心自動(dòng)換刀PLC控制

雷楠南

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院， 河南 三門峽 472000）

數(shù)控加工中心的自動(dòng)換刀通常有兩種方式：一種是無機(jī)械手換刀方式，另一種是機(jī)械手換刀方式。無機(jī)械手換刀方式，換刀過程一般是通過刀庫和主軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，其自動(dòng)換刀裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制容易。由于采用無機(jī)械手換刀方式時(shí)，需要經(jīng)過主軸卸刀、刀庫旋轉(zhuǎn)選刀、主軸裝刀等步驟，所以換刀效率低，多用于對(duì)換刀速度要求不高的普通加工中心。[1]相比較而言，機(jī)械手換刀方式，可通過機(jī)械手運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)主軸和刀庫上的刀具交換，其優(yōu)點(diǎn)是換刀效率高，缺點(diǎn)是換刀裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜。文中以采用無機(jī)械手換刀方式的VMC850加工中心為例，介紹自動(dòng)換刀過程。該加工中心為立式加工中心，刀庫是典型的斗笠式刀庫且為Z軸移動(dòng)換刀，自動(dòng)換刀過程由如下幾步完成：[2]Z軸回參考點(diǎn)且主軸定向準(zhǔn)停、刀庫前移抓刀、刀具松開、Z軸上移卸刀、刀庫回轉(zhuǎn)選刀、Z軸下移裝刀、刀具夾緊、刀庫后移。從換刀過程來看，自動(dòng)換刀時(shí)，刀庫需要完成前、后兩個(gè)位置之間的移動(dòng)及旋轉(zhuǎn)；Z軸則需完成上、下移動(dòng)動(dòng)作。

一、斗笠式刀庫換刀控制過程

在加工中心自動(dòng)換刀時(shí)，通常編制換刀宏程序或特定的換刀子程序來實(shí)現(xiàn)刀庫和Z軸的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)，從而可簡(jiǎn)化PLC程序設(shè)計(jì)。以配置西門子802D系統(tǒng)的VMC850加工中心為例，采用Z軸移動(dòng)換刀方式的斗笠式刀庫，換刀動(dòng)作可以分為M代碼控制的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，如M06：換刀起動(dòng)；M82：刀庫前移；M83：刀庫后移；M84：主軸刀具夾緊、吹氣關(guān)閉；M85：主軸刀具松開、吹氣；M86：刀庫回轉(zhuǎn)換刀；M80：自動(dòng)換刀結(jié)束。換刀程序一般以子程序形式編程，并且可通過程序名在CNC加工程序中利用指令直接調(diào)用，典型的換刀子程序如下：[3]

%

L06//換刀子程序號(hào)

G28 Z0 M19；//換刀前，Z軸已回參考點(diǎn)且主軸定向準(zhǔn)停

M06；//自動(dòng)換刀起動(dòng)

STOPRE；//停止譯碼，等待M06完成

/N1 GOTOF ATC_END；//選擇跳段有效時(shí)跳轉(zhuǎn)至ATC_END結(jié)束換刀

M82；//刀庫前移

G04 F0.5；//刀庫前移延時(shí)0.5s

M85；//主軸刀具松開、吹氣

G04 F0.5；//刀庫松開延時(shí)0.5s

N2 G91 G01 Z200.0 F2000；//Z軸上移至卸刀點(diǎn)Z1

M86；//刀庫回轉(zhuǎn)換刀

N3 G91 G01 Z-200.0 F2000；//Z軸下移至換刀起始點(diǎn)

M84；//主軸刀具夾緊、吹氣關(guān)閉

G04 F0.5；//刀具夾緊延時(shí)0.5s

M83；//刀庫后移

N10 ATC_END：M80；//自動(dòng)換刀結(jié)束

M02；//子程序返回

在編制好換刀子程序后，還需進(jìn)一步分解換刀控制過程中的具體動(dòng)作，最終編制出PLC梯形圖程序。當(dāng)CNC數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行換刀指令時(shí)，首先應(yīng)判斷指令刀具是否在主軸上，若在則無需換刀；若有則應(yīng)執(zhí)行換刀子程序，控制刀庫進(jìn)行移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)，將主軸上刀具放回刀庫。接著，再執(zhí)行換刀子程序，控制刀庫旋轉(zhuǎn)至指令刀具位置，移動(dòng)Z軸進(jìn)行裝刀，裝刀完成后，刀庫后移至起始位置。斗笠式刀庫換刀PLC控制流程如圖1所示。[1]

圖1 斗笠式刀庫換刀PLC控制流程

二、斗笠式刀庫換刀控制PLC程序編制

斗笠式刀庫通過編程T代碼指令實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀時(shí)，首先應(yīng)編制如圖2所示的PLC程序進(jìn)行T代碼判別。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LD16。若編程T代碼數(shù)值大于刀庫的刀位數(shù)，即LD16大于LD0，則表示編程指令中指定的刀號(hào)錯(cuò)誤，通過取反指令使“編程刀具號(hào)大于刀庫最大刀位數(shù)”信號(hào)L13.1為“1”；接著，要進(jìn)一步判斷LD16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) L13.2 為“1”；當(dāng)L13.1或L13.2為“1”時(shí)，均可通過報(bào)警程序提示用戶編程T代碼出現(xiàn)錯(cuò)誤。如果LD16中的T代碼數(shù)值與LD4中的實(shí)際刀位T代碼數(shù)值相等，則M20.0為“1”，表示編程刀位到達(dá)。由此可見，只有當(dāng)LD16中的T代碼數(shù)值小于刀庫的刀位數(shù)LD0、T代碼數(shù)值不為“0”且與實(shí)際到位不一致時(shí)，刀庫才具備換刀條件。

圖2 T代碼處理PLC梯形圖程序

斗笠式刀庫換刀過程由換刀子程序和PLC程序共同實(shí)現(xiàn)。[3]圖3所示為換刀起動(dòng)控制PLC程序。CNC系統(tǒng)執(zhí)行換刀子程序L06時(shí)，首先確保Z軸回參考點(diǎn)、主軸實(shí)現(xiàn)定向準(zhǔn)停等以便使“換刀起動(dòng)條件具備”信號(hào)L12.0為“1”；其次，換刀T代碼編程正確并經(jīng)過刀庫捷徑轉(zhuǎn)向子程序處理，可實(shí)現(xiàn)刀庫旋轉(zhuǎn)并使M20.5信號(hào)為“1”。此時(shí)，執(zhí)行M06指令則V25001000.6及MF信號(hào)V25000000.0為“1”，通過置位指令可使ATC起動(dòng)信號(hào)M20.7和程序跳段信號(hào)V32000002.0為“1”，換刀子程序直接跳過程序段“/N1 GOTOF ATC_END；”，執(zhí)行后續(xù)的自動(dòng)換刀程序。如果編程T代碼與主軸當(dāng)前刀號(hào)一致或T代碼出現(xiàn)錯(cuò)誤，則M20.5信號(hào)為“0”，通過復(fù)位指令使程序跳段信號(hào)V32000002.0為“0”，CNC系統(tǒng)將執(zhí)行換刀程序段“/N1 GOTOF ATC_END；”跳轉(zhuǎn)至程序段“N10ATC_END：M80；”，執(zhí)行M80指令結(jié)束自動(dòng)換刀。當(dāng)不具備換刀起動(dòng)條件時(shí)，L12.0為“0”則報(bào)警輸出變量L13.3為“1”。

圖3 換刀起動(dòng)控制PLC梯形圖程序

加工中心斗笠式刀庫換刀時(shí)，若主軸上有刀且主軸上刀號(hào)與編程指令中的T代碼不一致時(shí)，則必須先還刀入刀庫。還刀入庫又稱卸刀控制，其PLC控制程序如圖4所示。當(dāng)換刀起動(dòng)信號(hào)M20.7為“1”，如刀庫處于后位位置則刀庫后位檢測(cè)信號(hào)L12.4為“1”；Z軸下移到換刀起始點(diǎn)，即Z軸移動(dòng)到位后，檢測(cè)信號(hào)L12.6為“1”；卸刀前，主軸刀具為夾緊狀態(tài)，故主軸刀具夾緊檢測(cè)信號(hào)L12.2為“1”；此時(shí)，CNC系統(tǒng)執(zhí)行換刀子程序中的刀庫前移指令M82，則V25001010.2及MF信號(hào)V25000000.0為“1”，可分別通過置位指令使刀庫前移信號(hào)M21.0為“1”，通過復(fù)位指令使刀庫向后信號(hào)M22.0為“0”。同時(shí)，通過置位指令使進(jìn)給使能禁止信號(hào)V32000006.0和讀入使能禁止信號(hào)V32000006.1為“1”，使CNC進(jìn)入輔助功能等待狀態(tài)。在刀庫前移位置到達(dá)后，刀庫前位檢測(cè)信號(hào)L12.5為“1”，通過復(fù)位指令使進(jìn)給使能禁止信號(hào)V32000006.0和讀入使能禁止信號(hào)V32000006.1為“0”，CNC繼續(xù)執(zhí)行換刀子程序中的程序段“G04 F0.5；”，保證刀庫前移延時(shí)0.5s。接著，執(zhí)行刀具松開指令M85，則V25001010.5及MF信號(hào)V25000000.0為“1”，可通過置位指令使刀具松開信號(hào)M21.1為“1”；同時(shí)，再次利用置位指令使進(jìn)給使能禁止信號(hào)V32000006.0和讀入使能禁止信號(hào)V32000006.1為“1”，使CNC進(jìn)入輔助功能等待狀態(tài)。當(dāng)?shù)毒咚砷_到位檢測(cè)信號(hào)L12.3為“1”時(shí)，通過復(fù)位指令使進(jìn)給使能禁止信號(hào)V32000006.0和讀入使能禁止信號(hào)V32000006.1為“0”，CNC將繼續(xù)執(zhí)行換刀子程序中的程序段“G04 F0.5；”，保證刀具松開延時(shí)0.5s。在主軸刀具松開后，執(zhí)行換刀子程序段“N2 G91 G01 Z200.0 F2000；”，使 Z 軸上移回到卸刀點(diǎn)。

圖4 ATC卸刀控制PLC梯形圖程序

在數(shù)控機(jī)床Z軸上移回到換刀點(diǎn)后，換刀點(diǎn)位置檢測(cè)信號(hào)L12.7為“1”，主軸完成卸刀。下一步，需要將編程T代碼刀具選出來，選刀控制即通過刀庫回轉(zhuǎn)指令使刀具回轉(zhuǎn)至裝刀位置，PLC程序如圖5所示。此時(shí)，由于刀庫仍處于前位，故刀庫前位檢測(cè)信號(hào)L12.5也為“1”。當(dāng)CNC執(zhí)行回轉(zhuǎn)選刀指令M86時(shí)，則V25001010.6及MF信號(hào)V25000000.0為“1”；PLC程序?qū)⒏鶕?jù)刀庫捷徑轉(zhuǎn)向選擇信號(hào)M20.3/M20.4，輸出刀庫正反轉(zhuǎn)命令信號(hào)M21.3/M21.4，同時(shí)置位進(jìn)給使能禁止信號(hào)V32000006.0和讀入使能禁止信號(hào)V32000006.1為“1”，使CNC進(jìn)入輔助功能等待狀態(tài)。當(dāng)?shù)稁旎剞D(zhuǎn)到達(dá)目標(biāo)位置，即當(dāng)前實(shí)際刀位變量LD4與T代碼指令刀號(hào)LD16相等且刀庫回轉(zhuǎn)到位信號(hào)L13.0為“1”，可同時(shí)復(fù)位轉(zhuǎn)向選擇信號(hào)M20.3/M20.4及刀庫正反轉(zhuǎn)命令信號(hào)M21.3/M21.4，停止刀庫旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，通過置位指令置位刀庫回轉(zhuǎn)完成信號(hào)M20.5為“1”；通過復(fù)位指令復(fù)位進(jìn)給使能禁止信號(hào)V32000006.0和讀入使能禁止信號(hào)V32000006.1為“0”，使CNC繼續(xù)執(zhí)行換刀子程序。

圖5 刀庫回轉(zhuǎn)選刀控制PLC梯形圖程序

圖6所示PLC程序?yàn)槎敷沂降稁煅b刀控制程序。在執(zhí)行完回轉(zhuǎn)選刀程序后，刀庫上的待安裝刀具位于Z軸正下方的裝刀位置，在此位置時(shí)刀庫的前位到達(dá)、檢測(cè)信號(hào)L12.5為“1”。同時(shí)，CNC數(shù)控裝置執(zhí)行“N3 G91 G01 Z-200.0 F2000”換刀子程序段，使Z軸下移到換刀起始點(diǎn)，當(dāng)Z軸移動(dòng)到位后，檢測(cè)信號(hào)L12.6為“1”，主軸扣刀完成。接著，CNC數(shù)控裝置執(zhí)行刀具夾緊指令“M84”，則V25000000.0 信號(hào)、V25001010.4 信號(hào)為“1”，通過置位指令使刀具夾緊信號(hào)M21.7為“1”，并復(fù)位刀具松開信號(hào)M21.1為“0”。同時(shí)，利用置位指令使進(jìn)給禁止使能信號(hào)V32000006.0和讀入使能禁止信號(hào)V32000006.1為“1”，CNC進(jìn)入輔助功能執(zhí)行等待狀態(tài)。當(dāng)?shù)毒邐A緊到位、檢測(cè)信號(hào)L12.2為“1”，再利用復(fù)位指令復(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為“0”，使CNC繼續(xù)執(zhí)行換刀子程序段“G04 F0.5”，實(shí)現(xiàn)0.5s延時(shí)。延時(shí)時(shí)間到后，執(zhí)行換刀子程序段中的刀庫后移指令“M83”，則V25000000.0信號(hào)、V25001010.3信號(hào)為“1”，通過置位指令使刀庫向后信號(hào)M22.0為“1”，并且復(fù)位刀庫向前信號(hào)M21.0為“0”。此時(shí)，刀庫向后移動(dòng)至刀庫的后位位置，同時(shí)，再次利用置位指令使進(jìn)給禁止使能信號(hào)V32000006.0和讀入使能禁止信號(hào)V32000006.1為“1”，CNC進(jìn)入輔助功能執(zhí)行等待狀態(tài)。需要注意的是換刀過程中ATC換刀起動(dòng)信號(hào)M20.7始終為“1”。

圖6 主軸裝刀控制PLC梯形圖程序

圖7所示PLC程序?yàn)槎敷沂降稁鞊Q刀結(jié)束處理程序。在執(zhí)行裝刀控制程序過程中，刀庫向后信號(hào)M22.0為“1”、又因?yàn)閾Q刀起動(dòng)信號(hào)M20.7始終為“1”，所以當(dāng)?shù)稁旌笠频竭_(dá)后位、檢測(cè)信號(hào)L12.4為“1”時(shí)，利用復(fù)位指令復(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為“0”，使CNC繼續(xù)執(zhí)行換刀子程序段“N10 ATC_END：M80；”， 則 V25000000.0 信 號(hào) 、V25001010.0信號(hào)為“1”，通過復(fù)位指令使刀庫向后信號(hào)M22.0、ATC換刀起動(dòng)信號(hào)M20.7、回轉(zhuǎn)信號(hào)M21.5、T代碼處理完成信號(hào)M20.5及M20.2、程序跳段信號(hào)V32000002.0為“0”，結(jié)束換刀過程。

圖7 換刀結(jié)束信號(hào)處理PLC梯形圖程序

三、小結(jié)

文中以配置西門子802D系統(tǒng)的數(shù)控加工中心為例，重點(diǎn)介紹了斗笠式刀庫的換刀過程及換刀程序的編制。針對(duì)Z軸移動(dòng)換刀方式，介紹了刀庫的機(jī)械動(dòng)作控制與主軸相關(guān)動(dòng)作控制。由于加工中心換刀控制程序復(fù)雜，且目前關(guān)于西門子數(shù)控系統(tǒng)PLC編程技術(shù)資料相對(duì)較少，通過完整的斗笠式刀庫換刀程序編制及說明，可為從事數(shù)控機(jī)床裝調(diào)、維修的技術(shù)人員提供參考。