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西（xī）門子802D係統數控機床電動刀架（jià）PLC控製

2020-8-5 來源（yuán）：三門峽職業技術學院作者：雷楠南

摘要: 分析了西門子802D係統數控車床電動刀架的換刀控製過程（chéng），係統地研究了電動刀架換刀控製子程序、列出了相關控製接口（kǒu）信號。以CK6140數（shù）控車床為例，編製了四工位電動（dòng）刀架換刀控製PLC程序。

關鍵詞：西門子；數控係統；電動刀架；換刀控製； PLC程序

一、引言

數控（kòng）車床的自動換刀過程通常由 PLC 控（kòng）製回轉刀架來實（shí）現，在實際使（shǐ）用過程中回轉刀架有兩種：電動回轉刀架和液（yè）壓（yā）回轉刀架。電（diàn）動（dòng）回（huí）轉刀架（jià）因為結構簡單、易於控（kòng）製且經（jīng）濟性好等原因，廣泛應用於經濟（jì）型（xíng）數控車床。液壓刀架結構較（jiào）複雜、但刀具容（róng）量大、換刀速（sù）度快，且定位準確，所以廣泛應用（yòng）於高檔數控車床（chuáng）[1]287-289。電動回轉（zhuǎn）刀架通常由底座、刀架體、驅動電機、蝸輪蝸杆（gǎn）、螺紋升降機構、端麵齒牙盤和刀位檢測裝置等部件組（zǔ）成，刀具可通過刀架體上部（bù）的螺釘夾（jiá）緊於刀架體上，刀架定位利用端麵齒牙盤實現[2]231-232。在數控車（chē）床上,電動刀架換刀控製通常涉及（jí） CNC 輔助功能 T 指令（lìng）控製與 PLC 控製，所（suǒ）以換刀控製 PLC 程序設計時主要（yào）考慮（lǜ） CNC 係（xì）統信號（hào）與 PLC 信號處理（lǐ）。以配置西門子 802D 係統的數控車床為例，因為 PLC 集成在數控係統（tǒng）上，所（suǒ）以編製換（huàn）刀控製 PLC 程序時，要先分（fèn）析控製要求，弄清編（biān）程涉及的接口信號，然後（hòu）可參照西門子係統換刀控製子程序編製出合適的換刀控製（zhì）程序。

二、西門子 802D 係統數控車床電動刀架換刀控（kòng）製流程

（一）電動刀架換刀控製過程

電動刀架換刀的一般過程為：刀架抬起、刀架轉位、刀架定位和刀架鎖緊四步[2]231-232。電動刀（dāo）架換刀控製有（yǒu）兩種，手動換刀與自動換刀：手（shǒu）動換刀指（zhǐ）的是在手動 JOG 操作方式有（yǒu）效（xiào）時，按下換刀按鍵，刀架體轉位至（zhì）下一把刀具；自動換刀，即當 CNC 係統在執行數控加工程序過程（chéng）中，讀入並執行換刀 T 指令（lìng）時，刀架實現正轉換刀的（de）方式。以四工位的電（diàn）動刀架為例，在（zài）自動換刀方式下，CNC 係統讀入編程刀（dāo）號後，首先應判斷編程刀（dāo）號（hào），若編程刀號不為 0、不等（děng）於（yú）當前刀號且 T 代碼正（zhèng）確（T 代碼指令刀號範圍應為 1 至 4）情況（kuàng）下才能（néng）進行（háng）換刀。當 T 指（zhǐ）令刀具換刀到位後，刀架電機停止轉動並延時（shí），延時時（shí）間到後刀架電機進行反轉鎖緊，換刀過程完成。手動換刀時，按下換刀按鍵，刀架轉位（wèi）至下一把刀（dāo）具，控製流程較為簡單。為便於換刀 PLC 程序設計，繪製出數控車（chē）床電動（dòng）刀架的控製（zhì）流程如圖 1 所示[3]92-95。

圖 1 電動刀架換刀控製流程

（二）西門子 802D 係統電動（dòng）刀架換刀控（kòng）製（zhì）相關信號

在實現電動刀架換刀控（kòng）製時，西門子數（shù）控係統廠家為方（fāng）便用戶使用，專門設計了 PLC 子（zǐ）程序庫。在西門子 802D 係統上，涉及電（diàn）動刀架控製的子程序為 SBR46(TURRET1)[4]148-150。一般情況下，在實際（jì）機床使用過程中，用戶會（huì）根據刀架（jià）控製要求（qiú）對子程序進行修（xiū）改和完善。但是，不論是基（jī）於子程序修改方式或重新編製換刀控（kòng）製（zhì）程序，在實現電動刀架控製（zhì）時所涉及的控製信號及編程地址應保持一致，802D係統涉及（jí）換刀控製的信號如表 1 所示。

表 1 802D 係統電動（dòng）刀架控製信號表（biǎo）

三、電動刀架換刀程序編製

根據前述電動刀架換刀控製流程，下麵以CK6140 數控車床電動刀架換刀控製（zhì）為例，編製換刀控製程序。在編製換刀控製 PLC 程序時，首先應編製刀位檢測程序如（rú）圖 2 所示。在自動（dòng）換刀過程中，為防止編程 T 代碼錯誤，通常要編（biān）製程（chéng）序讀入用戶設定的最大刀位數。因此，在圖 2 所示第一行程序便是將用戶數據 MD14510[20]設定的 16 位二進（jìn）製格式（shì）“最大刀位數”轉換成 32 位（wèi）二進製格式並保（bǎo）存在局部變量 LD16 上。如此處電動刀架為四工位，則最大刀位數設定值為 4。在後（hòu）續換刀程（chéng）序中，CNC 係統（tǒng）讀入編程（chéng） T 代碼後，要將 T 代碼數值與 LD16 中數值進行比較，隻有 T 代碼數值小於 LD16 中（zhōng）設定的最大刀位數值時，T 代碼（mǎ）才有實際意義。因為刀架為四工位電動刀架，所以編程時隻需讀入（rù）四個刀位信號。由（yóu）於機床類型為數控車床，所以 CNC 用戶數據MD14510[16]應設定為“0”，即變量 VW45000032 值為“0”，該觸點接（jiē）通；若 CNC 用戶數（shù）據 MD14510[11]bit7 設（shè）定為 “1” 時，表示電動（dòng）刀架有效即（jí）變量VW45001011.7 值為（wéi）“1”，該（gāi）觸點接通；由此便可將局部變量 L6.1 至 L6.4 輸（shū）入的刀位檢（jiǎn）測信號轉（zhuǎn）換為32 位二進製格（gé）式數（shù）據存儲在 LD12 中。在生產實際中，刀架無論處於某一刀位必（bì）有一個位置檢測信號（hào）。如果刀架處於停（tíng）止狀態則表明刀架無正反轉信號輸入，即 M112.0、M112.1 為“0”。此時，若刀架無位置檢測信號輸入，則 LD12 中數（shù）值為 0，從而接通局部變量 L7.5，使 CNC 報（bào）警（jǐng）變量 V16000003.1 為“1”，顯示用戶報警 700025：“刀架無位置檢測信號”

圖 2 刀位轉換控（kòng）製 PLC 梯形圖程序設計

當（dāng）數控車床通過編程 T 代碼指令實現自動換刀時，可編製如圖 3 所示 PLC 程序。在（zài）西門子 802D係統上，當 CNC 讀入編程 T 代碼指令時，其譯碼數值存儲於變量 VD25002000。同時，來自 CNC 的 T代碼修改信（xìn）號（hào） TF 選通，即（jí）變量 V25000001.4 為“1”。利用該觸點接通的上升沿信號可將編程指令中的32 位二進（jìn）製 T 代碼刀號讀入並輸出到 LD20。若編程 T 代碼數值小（xiǎo）於用戶設定的最大刀位數，即 LD20數值小於刀架刀位設定值 LD16，則（zé）表示編程指令中指定的刀號正確（què），通過取反指令使“編程刀具號大於刀架最大刀位數”信號 L7.6 為“0”；接著，要進一步判（pàn）斷 LD20 中的 T 代碼數值是否為（wéi）“0”；若為“0”則“編程刀號為（wéi） 0”信號 M112.6 為“1”，由於實際生產中無 0 號刀，所以電動刀架無換刀動作。最（zuì）後，再利用一致性判別指令判斷存儲於 LD20 中的編程指令T 代碼數值與 LD12 中（zhōng）的實際（jì）刀位 T 代碼數值是否相等，若（ruò）相等則（zé）表示編程刀位到達（dá），即“編程刀號與實際到位（wèi）一致”信號 M112.7 為“1”，無需換刀。由此可見，隻有當 LD20 中的 T 代碼數值小於刀架刀位設定值 LD16，且 LD20 中的 T 代碼數值不為“0”，電動刀架才具備換刀條件。

圖 3 自動換刀控製 PLC 梯形圖程（chéng）序設計

當電動刀架滿足換刀條件、執行自動換刀時，應編製 PLC 程（chéng）序實現（xiàn）刀架正轉換刀與反轉鎖緊（jǐn）控製如圖 3 所示後續程序。由於換（huàn）刀（dāo）前，刀架處於停止狀態，所（suǒ）以“刀架停止”信號 L8.1 為“1”；當 LD20 中的T 代碼數值小於刀架刀位設定值 LD16，且 LD20 中的 T 代碼數值不為“0”時，則 L7.6 信號為“0”、M112.6 為“0”；若 LD20 中的編（biān）程指令 T 代（dài）碼與LD12 中的實際刀位 T 代碼不（bú）相等，則 M112.7 信（xìn）號為“0”；此時，如果 T 代碼（mǎ）修（xiū）改信號 TF 選通時V25000001.4 為“1”，可利用上（shàng）升沿信（xìn）號置位“刀架正轉”信號 M112.0 和“T 代碼自動換刀起動”信號M113.1，實現刀架回轉換刀。刀架回轉換刀時，應禁止下一程序段的讀（dú）入（rù）和進給，使（shǐ） CNC 進（jìn）入輔助功能執行等待狀（zhuàng）態，所以編程時必須使 CNC 進給禁止使能信號（hào） V32000006.0、讀入（rù）使能禁止信號V32000006.1 置位為“1”。當換刀結束（shù）時，即 LD20 中的編程指令（lìng） T 代碼（mǎ）與 LD16 中的實際刀位 T 代（dài）碼相等（děng），則表示編程的刀位到達，“編程刀號與實際到位一致”信號 M112.7 變為“1”，利用最後（hòu）一行程序執（zhí）行上升沿信號，複位“刀架正轉”信號 M112.0，同時置位“刀架反轉”信號 M112.1，使刀架反（fǎn）轉鎖緊。

反轉鎖緊時間 LW2 時，T14 常開觸點（diǎn）接通（tōng）便（biàn）可複（fù）位“刀架反轉”信號 M112.1、“T 代（dài）碼換刀起動”信號M113.1；同時，要（yào）結束輔助功能控製（zhì），進行下（xià）一程序段的讀入（rù）和進給，就必須複位進（jìn）給（gěi）禁止使能信（xìn）號V32000006.0 和讀入使能（néng）禁止信號 V32000006.1。此外，當“T 代碼換刀起動”信號 M113.1 為“1”，且“刀（dāo）架正轉”信號 M112.0 為“1”時，可接（jiē）通（tōng）定時器 T15用於監控最（zuì）大選刀（dāo）時間（jiān）。若刀（dāo）架正轉換刀過程時間超過用戶數據 MD14510 [21] 設定的最大換刀時間LW4，定（dìng）時器（qì） T15 常開觸點接通便可複位“刀架正轉”信號 M112.0，停止刀架（jià）轉動；並（bìng）置位 L7.7 並使報警變量 V16000003.0 為“1”，使 CNC 顯示 700024報警：“在監控時（shí）間內未找（zhǎo）到目標刀具”。

圖 4 手動換刀（dāo）控製 PLC 梯形圖程序（xù）設計

圖 5 刀架反轉（zhuǎn）鎖緊及選刀時間監控 PLC 梯形圖程序設計

數控車床采用手動換刀方（fāng）式時，可編製手動換（huàn）刀控製 PLC 程序如圖（tú） 4 所示。隻要將 CNC 操作方（fāng）式選擇在 JOG 方（fāng）式，則變量 V31000000.2 信號為“1”。由於換刀起動（dòng）前，刀架處於停止狀態，所以“刀架停止”信號 L8.1 為“1”。當按下機床操作麵板上的換刀按鍵 K4 時，L6.0 信號為“1”。利用該信號的上升沿可（kě）置位“刀架正轉”信（xìn）號（hào） M112.0 為“1”，起動刀架回轉；鬆開換刀按鍵時，L6.0 信號為“0”，利用該信號（hào）的（de）下降沿可置（zhì）位“刀架反轉”信號 M112.1 為“1”，使刀架反轉鎖緊；同時複位“刀架正轉”信號M112.0 為“0”，清除刀架正轉信號。

電動刀架在換刀過程中，為了保證刀架選刀及（jí）鎖緊（jǐn）正確，通常設（shè）計刀架（jià）反轉鎖緊及最大選刀時間監（jiān）控 PLC 程序（xù）如圖 5 所示。不論是自動換刀還是手動換刀，隻要“刀（dāo）架反轉”鎖緊信號 M112.1 為“1”，首先會接通反轉鎖緊時間控製（zhì）定時（shí）器 T14；當定時器 T14 定時時間達到用戶數據 MD14510[22]設定的反轉（zhuǎn）鎖緊（jǐn）時間 LW2 時，T14 常（cháng）開觸點接通便可複位“刀架反轉”信號 M112.1、“T 代碼換刀起動”信號M113.1；同時，要結束輔助功能控製，進行下一程序段的（de）讀入和進給，就必須複位進給禁止使能信號V32000006.0 和讀入使能禁止（zhǐ）信號 V32000006.1。此外，當“T 代碼換刀起（qǐ）動”信號 M113.1 為“1”，且“刀架（jià）正轉”信號 M112.0 為“1”時，可接通定時器 T15用於監控最大選刀時間。若刀架正轉換刀過程時（shí）間（jiān）超過用戶數據 MD14510 [21] 設定的最大（dà）換刀時間（jiān）LW4，定時器 T15 常開觸點接通便可複位“刀架正轉”信號 M112.0，停止刀架（jià）轉（zhuǎn）動；並置位 L7.7 並使報警變量 V16000003.0 為“1”，使 CNC 顯示 700024報警：“在監控時間內未找到目標（biāo）刀具”。如圖 6 所示 PLC 程序（xù）為電動刀架（jià）控製信號輸出程序。

圖6 刀架輸出信號PLC 梯形（xíng）圖程序設計

在電動刀架換刀過程中，若按下機床操作麵板 MCP 上的 NC 複（fù）位按鍵，則 V10000003.0 信號為“1”，可直（zhí）接複位“刀架（jià）正轉”信號 M112.0、“刀（dāo）架反轉”信號 M112.1、“T 代碼換刀起動”信號 M113.1、報警信號 L7.7，以（yǐ）及複位進給禁止使能信號V32000006.0 和讀入使能禁止信號 V32000006.1。當鬆開急停按鈕且刀架電機不發生過載情況下，急停狀態信號 V27000000.1 為“0”、“刀架電機過載輸（shū）入”信號 L7.1 為“1”；若“刀架正轉”信號 M112.0 為“1”、“刀架反轉”信號 M112.1 為“0”，則“正轉輸出”信號L7.2 為“1”；同理，若“ 刀架反轉 ”信號 M112.1 為“1”、“刀架正轉”信號 M112.0 為“0”，則“反轉輸出”信號 L7.3 為“1”；程序中串聯 M112.0、M112.1 的（de）常閉觸點用於正反轉（zhuǎn）輸出的互鎖控製。當按下急停按鈕時，急（jí）停狀態信號 V27000000.1 為“1”；或刀架電機（jī）發生（shēng）過載情況時，“過載輸入”信號 L7.1 為“0”。當發生急停（tíng）或刀架電機過載任意一種情況時，均可斷開正反轉信號輸出（chū）。此外，刀架（jià）電機過載時，“過載輸入”信號 L7.1 為“0”，可利用 L7.1 的常閉觸點接通（tōng） L8.0，輸出刀（dāo）架電機過載報警信號。刀架正反轉信號正常（cháng）情況下，可接通 L7.4，作為換刀按鍵 K4 指示燈輸出信號。電動刀架換刀控製（zhì） PLC 程序一般由上述幾部分組成，用戶編程時可根據控製要（yào）求自行編寫，也（yě）可基於西門子係統提供的子程序進行修改以達到控製目的。

四、結語

文中詳細分析了數控車床電動刀架的換刀控製流程，並以西（xī）門子（zǐ） 802D 係統為例介紹了電動刀架換刀控製相關接口（kǒu）信號。然後，以 CK6140 數控（kòng）車（chē）床四工（gōng）位電（diàn）動刀架換刀控（kòng）製為（wéi）例，介紹了換刀控製PLC 程序編製方（fāng）法（fǎ）。目前，西（xī）門子數（shù）控係統 PLC 編程技術（shù）資料相對較少、程序編製複雜且較（jiào）難理（lǐ）解，通過（guò）完整的換刀程序編製及說明，一方麵可為編程（chéng）人員（yuán）提供參（cān）考，另一方麵在涉及到換刀控製係統故障時，可幫助數控維修人員識讀相應 PLC 程序，迅速判斷故（gù）障（zhàng）點，排除故障。

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