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)控車床換刀裝置根據(jù)控制原理分為電動(dòng)刀架、液壓刀架、電、液組合驅(qū)動(dòng)刀架、伺服驅(qū)動(dòng)刀架幾種[1]94-96。其中，電動(dòng)刀架和液壓刀架應(yīng)用最為廣泛，電動(dòng)刀架和液壓刀架分別應(yīng)用在普通數(shù)控車床和中、高端數(shù)控車床上。液壓刀架相比較電動(dòng)刀架，其優(yōu)點(diǎn)是控制的刀具數(shù)量多、換刀過程轉(zhuǎn)位速度快、轉(zhuǎn)位平穩(wěn)[2]164-166，主要應(yīng)用于中、高端的大型數(shù)控車床上。在數(shù)控車床上實(shí)現(xiàn)液壓刀架的PLC控制相比普通電動(dòng)刀架較復(fù)雜[3]5-6，表現(xiàn)在刀架的雙向就近選擇轉(zhuǎn)位方向，本文主要基于西門子系統(tǒng)廠家提供的換刀控制SBR47子程序，來研究西門子系統(tǒng)數(shù)控車床上液壓刀架的PLC控制實(shí)現(xiàn)方法。

二、液壓刀架捷徑選擇PLC控制

數(shù)控機(jī)床液壓刀架主要應(yīng)用于各類中高檔數(shù)控車床，其特點(diǎn)是具有編碼器刀位檢測(cè)信號(hào)、能夠雙向就近換刀，換刀效率較高[4]231-232。在西門子系統(tǒng)數(shù)控車床上，對(duì)液壓刀架的控制主要是基于子程序SBR47(TURRET2)來實(shí)現(xiàn)換刀控制[5]168-169，同時(shí)在該子程序中又調(diào)用了刀架轉(zhuǎn)向的捷徑選擇子程序SBR48來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的捷徑選擇控制[6]。此處，主要介紹捷徑選擇子程序功能如圖1所示。在圖1所示子程序中，輸入信號(hào)如下：Tmax為刀架或刀庫(kù)的最大刀位數(shù)；Pnum為編程刀具號(hào)；Pcurr為刀架或刀庫(kù)當(dāng)前位置。輸出信號(hào)有：P_INDXo為預(yù)停刀位，即在就近找刀方向上，目標(biāo)刀位的前一個(gè)刀位；DIR為換刀方向，若DIR信號(hào)為“1”，表示刀架正轉(zhuǎn)（CW）；DIR信號(hào)為“0 ”，表示刀架反轉(zhuǎn)（CCW）。

圖1 刀架捷徑選擇控制子程序SBR48

與普通的電動(dòng)刀架換刀控制相比較，液壓刀架控制的特點(diǎn)是能夠判斷出就近找刀的方向，從而快速換刀。而捷徑選擇控制子程序SBR48的功能便是用來判斷出就近找刀的方向以及預(yù)停刀位（既在就近方向上，目標(biāo)刀具的前一個(gè)刀位）。判斷的條件是刀架或刀庫(kù)的最大刀位數(shù)和編程的刀具號(hào)。該子程序可以用于車床的刀架或加工中心刀庫(kù)的就近找刀控制，刀架或刀庫(kù)的刀位數(shù)范圍為2～64。

為進(jìn)一步說明刀架轉(zhuǎn)向及預(yù)停刀位的判斷方法，以圖2所示刀架轉(zhuǎn)向及預(yù)停刀位判別來舉例。如當(dāng)前刀位為7，目標(biāo)刀位為2，由圖2可知刀架反轉(zhuǎn)時(shí)可快速旋轉(zhuǎn)至2號(hào)刀位；在反轉(zhuǎn)接近目標(biāo)刀位方向上，目標(biāo)刀具的前一個(gè)刀位為1號(hào)刀位，故預(yù)停刀位為1號(hào)刀位。再舉例如當(dāng)前刀位為7，目標(biāo)刀位為5，由圖2可知刀架正轉(zhuǎn)時(shí)可快速旋轉(zhuǎn)至5號(hào)刀位；在正轉(zhuǎn)接近目標(biāo)刀位方向上，目標(biāo)刀具的前一個(gè)刀位為6號(hào)刀位，故預(yù)停刀位為6號(hào)刀位。

圖2 刀架轉(zhuǎn)向示意圖

三、西門子系統(tǒng)液壓刀架PLC控制

（一）自動(dòng)換刀控制PLC程序?qū)崿F(xiàn)

液壓刀架在換刀前，應(yīng)先作刀架初始化程序處理如圖3所示。其中，LD0中存儲(chǔ)最大刀位數(shù)，V31000000.0、V31000000.1分別為自動(dòng)AUTO方式與MDA工作方式生效信號(hào)，V27000000.1為急停信號(hào)。系統(tǒng)執(zhí)行換刀子程序時(shí)，先利用系統(tǒng)標(biāo)志位SM0.0信號(hào)接通ADD_DI雙整數(shù)相加功能指令，將最大刀位數(shù)LD0加1傳送給LD8；然后復(fù)位刀架正、反轉(zhuǎn)信號(hào)L7.1、L7.2及刀架鎖緊信號(hào)L7.3。因?yàn)橐簤旱都芸煽刂?～64把刀具，所以利用比較指令來判斷LD0是否在2～64范圍內(nèi)，若不在可控制范圍，便可利用RET指令直接結(jié)束換刀子程序。此外，當(dāng)系統(tǒng)處于急停、或在自動(dòng)和MDA方式下進(jìn)行程序測(cè)試時(shí)，也可利用RET指令直接結(jié)束換刀子程序。

圖3 刀架初始化處理程序

圖4 讀入當(dāng)前刀位控制程序

如圖4所示為讀入當(dāng)前刀位控制PLC程序，在執(zhí)行換刀子程序時(shí)，利用換刀選通信號(hào)L6.5接通功能指令WAND_B與MOV_DW，將當(dāng)前刀位數(shù)值存儲(chǔ)于VD14000064。

圖5 自動(dòng)換刀時(shí)刀架轉(zhuǎn)向判斷程序

因?yàn)橐簤旱都苌系毒邤?shù)量較多，所以為便于快速找到目標(biāo)刀具，在換刀時(shí)刀架的轉(zhuǎn)向可通過捷徑選擇來確定刀架的轉(zhuǎn)向，使刀架快速地旋轉(zhuǎn)到目標(biāo)刀位。如圖5所示為自動(dòng)換刀時(shí)刀架轉(zhuǎn)向判斷PLC程序，其中MD160中存儲(chǔ)捷徑選擇時(shí)的預(yù)停刀位，MD164中存儲(chǔ)目標(biāo)刀位。在自動(dòng)或MDA工作方式下進(jìn)行自動(dòng)換刀時(shí)，首先V31000000.0或V31000000.1信號(hào)生效，即觸點(diǎn)接通；若編程T代碼數(shù)值大于最大刀位數(shù)，即VD25002000數(shù)值大于LD8中的數(shù)值，則利用RET指令結(jié)束該子程序；或者當(dāng)編程T代碼數(shù)值等于當(dāng)前刀位，即VD25002000數(shù)值等于VD14000064中的數(shù)值時(shí)，亦可利用RET指令結(jié)束該子程序；反之，利用MOV_DW功能指令將VD25002000數(shù)值傳送給MD164。

在調(diào)用捷徑選擇子程序進(jìn)行刀架轉(zhuǎn)動(dòng)方向判別時(shí)，M168.0為就近換刀方向信號(hào),輸出“1”信號(hào)時(shí)，刀架正向（CW）轉(zhuǎn)動(dòng)；輸出“0”信號(hào)時(shí)，刀架反向（CCW）轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，當(dāng)M168.0輸出“1”信號(hào)時(shí)，利用置位指令使刀架正轉(zhuǎn)信號(hào)M156.0線圈接通，同時(shí)復(fù)位刀架反轉(zhuǎn)信號(hào)M156.1線圈。反之，若M168.0輸出“0”信號(hào)時(shí)，則利用置位指令使刀架反轉(zhuǎn)信號(hào)M156.1線圈接通，同時(shí)復(fù)位刀架正轉(zhuǎn)信號(hào)M156.0線圈。在刀架旋轉(zhuǎn)換刀時(shí)，為保證機(jī)床運(yùn)行安全，應(yīng)利用CNC系統(tǒng)中的“讀入禁止使能”信號(hào)V32000006.1禁止加工程序的執(zhí)行，所以可利用置位指令接通V32000006.1線圈。

（二）手動(dòng)換刀控制PLC程序?qū)崿F(xiàn)

在數(shù)控機(jī)床上，通過手動(dòng)方式選擇相應(yīng)刀具在某些場(chǎng)合應(yīng)用較多。如圖6所示為手動(dòng)換刀方式刀架轉(zhuǎn)向判別控制PLC程序，其中V31000000.2為手動(dòng)JOG工作方式生效信號(hào)；L7.0為機(jī)床MCP面板上的手動(dòng)換刀按鍵信號(hào)。在機(jī)床處于手動(dòng)工作方式下，按下機(jī)床操作面板上的換刀按鍵時(shí)，利用L7.0接通時(shí)的上升沿信號(hào)使M168.0和M168.1線圈置位為“1”。因?yàn)镸168.0輸出“1”信號(hào)時(shí)，刀架正向（CW）轉(zhuǎn)動(dòng)，所以手動(dòng)換刀時(shí)刀架只能正向轉(zhuǎn)動(dòng)。M168.1線圈為“1”信號(hào)時(shí)，表示刀架找刀完畢到位信號(hào)。接著，利用雙整數(shù)相加功能指令，使當(dāng)前刀位VD14000064中的數(shù)值加1，并存儲(chǔ)于MD164中。由程序可知，手動(dòng)換刀時(shí)，MD164中的數(shù)值只能從1增大到最大刀位數(shù)值，所以當(dāng)MD164中的數(shù)值大于最大刀位數(shù)，即MD164大于LD8時(shí)，刀具應(yīng)重新從刀具1開始計(jì)數(shù)。因此，當(dāng)MD164中的數(shù)值大于最大刀位數(shù)LD8時(shí)，程序中利用MOV_DW功能指令將數(shù)值1傳送給MD164。

圖6 手動(dòng)換刀時(shí)刀架轉(zhuǎn)向判斷程序

（三）刀架轉(zhuǎn)向控制PLC程序?qū)崿F(xiàn)

圖7 刀架位置控制PLC程序

如圖7所示為刀架位置控制PLC程序，M168.1為刀架找刀完畢到位信號(hào)，在該信號(hào)觸點(diǎn)接通情況下，手動(dòng)換刀時(shí)利用圖中第一行程序控制刀架正轉(zhuǎn)換刀。M168.2為刀架鎖緊命令信號(hào)，當(dāng)?shù)都苄D(zhuǎn)經(jīng)過預(yù)停刀位時(shí)，利用刀架預(yù)停傳感器信號(hào)L6.7的下降沿復(fù)位刀架正、反轉(zhuǎn)信號(hào)M156.0或M156.1線圈，同時(shí)置位M168.2線圈、發(fā)出刀架鎖緊命令；接著，若刀架正轉(zhuǎn)，則利用M168.0觸點(diǎn)接通并置位刀架反轉(zhuǎn)信號(hào)M156.1線圈；反之，接通并置位刀架正轉(zhuǎn)信號(hào)M156.0線圈，同時(shí)利用定時(shí)器T28控制其鎖緊時(shí)間。M168.3為刀架電磁鐵鎖緊信號(hào)，在當(dāng)前刀位VD14000064數(shù)值等于目標(biāo)刀位數(shù)值MD164時(shí)，利用選通位L6.5的下降沿信號(hào)接通并置位M168.3線圈，發(fā)出刀架電磁鐵鎖緊命令。

四、結(jié)語

液壓刀架主要應(yīng)用于中高端數(shù)控車床如斜床身數(shù)控車床上，研究換刀控制的前提是弄清楚刀架工作原理。在實(shí)現(xiàn)刀架控制時(shí)，基于西門子系統(tǒng)換刀控制子程序SBR47進(jìn)行修改使用可有效地提高編程效率。此外，要特別注意捷徑選擇子程序SBR48的調(diào)用。文中限于篇幅，未能詳細(xì)介紹捷徑子程序的具體內(nèi)容；對(duì)于大部分編程人員而言，只需弄清楚子程序輸入、輸出變量含義，在編制主程序時(shí)正確調(diào)用子程序即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。西門子數(shù)控系統(tǒng)PLC控制的優(yōu)勢(shì)在于廠家為用戶提供了豐富的子程序，因此在編程時(shí)建議大家基于子程序進(jìn)行修改使用，實(shí)現(xiàn)機(jī)床相應(yīng)控制功能。