0引言

       作為數控加工中心（xīn）, 刀庫的選刀是（shì）其核心部分之一, 直（zhí）接影響刀（dāo）庫、機械手和主軸（zhóu）間的自動換刀, 對機床的加工效率和加工（gōng）精度具（jù）有十分（fèn）重要的意義[ 1] 。經過長時期的發展, PLC已具有強大的運算能力, 良好的通（tōng）訊功能, 極高的處理速度, 已獲（huò）得廣泛的應用。對於高精尖的（de）大型數（shù）控（kòng）機床主要（yào）部件（jiàn）目前（qián）大部分都用的進口元件, 費用（yòng）高[ 2 ] 。PLC及其定位控製器用於刀庫、機（jī）械手和主軸間的自動換刀控製, 取代某些昂貴的進口元件, 降低了設備（bèi）費用, 是降低費用（yòng）的最佳的選擇（zé）。對（duì）於小型加工中心的自（zì）動選（xuǎn）刀控製, 是一種理想的控製設備。

       1 加工中心（xīn）選刀方式

       1.1 順序選刀

       選刀方式要求按工藝過（guò）程的順（shùn）序（xù）(即刀具使用順（shùn）序)將刀具安置在刀座中, 使用時按刀具的安置順序逐一（yī）取用, 用後放回原刀座中[ 3] 。

       1.2隨機（jī）選刀

       ( 1)刀座編碼選刀: 對刀庫各刀座編碼, 把與刀座編碼對應的刀具一一放入指定的刀座中, 編程時用地（dì）址T指出刀具所在刀座編碼（mǎ）。

       ( 2)計算機記憶選刀: 刀（dāo）具號和（hé）存刀位置或刀座號對應地記憶在（zài）計算機的存儲器或可編程控製器的存儲器內, 刀具存放地址改變, 計算機記憶也（yě）隨之（zhī）改變。在刀（dāo）庫裝（zhuāng）有位置檢測裝（zhuāng）置, 刀具可以任意取出, 任意（yì）送回。

       2 設計要求

       刀庫中有（yǒu）30個刀（dāo）座, 屬於連續型刀庫（kù）, 可以是圓（yuán）盤型刀庫（kù）, 也可使用（yòng）鏈（liàn）式刀庫, 刀庫類型雖有所不同,但選（xuǎn）刀控製（zhì）方式相似, 使用步進電（diàn）機正反轉控製。采用隨機（jī）選刀方式, 刀庫中30個刀座不一定都有刀具, 其中的道（dào）具編號與刀座（zuò）編號不一定相同。T 指令輸入時程序大致執（zhí）行過程如下: 在刀庫（kù）中查找T指令要求的刀具, 找到時判斷其所在刀座與換到位的位置關（guān）係, 刀庫以（yǐ）比較短距離的方式(正轉或反轉)高速轉至距（jù）離（lí）換刀位兩個刀座差的位置, 低速轉到換刀位, 向機床輸出（chū）換刀（dāo）信號[ 4] 。

       3 PLC接口

       CNC 送至PLC 的信息可由（yóu）開關量輸出信（xìn）號(對CNC 側)完成（chéng）, 也可由CNC直接送入PLC 的寄存器中。在本設計中, 采用前一種方式, 以（yǐ）開關量信號進行信息交（jiāo）換[ 5] 。

       本（běn）設計（jì）中, 在初次運行時必（bì）須使PLC 的信息與CNC 同（tóng）步, 所以設（shè）置一個寄存器（qì）設置的（de）接口觸點X004; T 指令是CNC 的選刀信號（hào）, 所以設（shè）置（zhì）一個T 指令接口觸點X005。PLC 的數據（jù）寄（jì）存器單個均為16b i,t所以設置寄存器內容時除寄存器設（shè）置觸點（diǎn）外, 還要16個觸（chù）點配合使用, 用於二進製碼輸入。與T指令配合使用的刀具代號以BCD 碼方式輸入, 因此, 寄存器（qì）中刀（dāo）具代號均使用BCD 碼儲存。T指令的BCD 碼與寄存器設置的（de）二進（jìn）製碼使用相同接口。本係統需要的I/O點數較少, 共需22個輸入點和4個輸出點, 因此選用三菱FX2N-48MR 型PLC機, 它是基本單元, 輸入（rù）輸出點數各24點。當PLC 僅用作刀庫（kù）自動選刀時, FX2N-48MR可滿足要求, 但還有（yǒu）其他用途時則可能（néng）需要更多點的型號[ 6] 。Y000和Y001可采用晶體管（guǎn）脈衝輸出, 也可采用繼電器輸出方式; 其他輸出均采用繼電器輸出方式（shì）。本設計輸出口采（cǎi）用繼電（diàn）器（qì）輸出方式。

       4 梯形圖及程（chéng）序

       4.1T指令輸（shū）入和刀（dāo）具檢索

       采用X005上升沿輸入並邏輯取（qǔ）反（fǎn）指令INV, 作用（yòng）是使從LD X005到標記P3之間的程序在X005上升沿這（zhè）個掃描周期內執行一次, 其餘時（shí）間執行到LDP X005這一行時跳（tiào）過而不執行。

       SER 指令是（shì）數據搜索（suǒ）指令, 當T 指令（lìng）輸（shū）入時, 在（zài）主軸和刀庫（kù）中查找T 指令所（suǒ）要（yào）求的刀具（jù）。T 指令（lìng）輸入,在主軸和刀庫（kù）中查找設定刀具, 結果（guǒ）存於D0~ D4。沒有找到設（shè）定刀具, M 11置位(用於報警輸出) , 跳（tiào）轉至P3, 報警輸（shū）出; 找到設定刀具, 將設定刀具所（suǒ）在位置(存於D1)存入（rù）變址寄存（cún）器V0 中(MOV 指令) , 用於後續處（chù）理。設定刀具處於換刀位的刀座上, 換刀標誌M 9置位; 設定刀具在換刀位刀座或者主軸上時, 刀庫都（dōu）不需轉動（dòng）, 因（yīn）此跳過脈衝（chōng）輸出（chū）等程（chéng）序段（duàn）[ 4] 。

       4.2 刀座差及刀庫轉向（xiàng）計算、換刀處（chù）理

       計算過程如下:

       ( 1)設定刀具所在刀座減去換刀位當前刀座位置,結果存於C0( SUB指令)。

       ( 2)判斷刀座差(有正負) C0與0~ 15數值範圍的（de）關係, 結果存於M0~ M2( ZCP指令)。M0~ M2接通（tōng）條件如下: M0, C0 為負數; M1, C0 為不大於15的非負數（shù）; M2, C0大於15。

       ( 3)M0通( C0為負（fù）數), M3 置位, 用於標識刀座差值原為負值, C0取補( NEG 指令) , 跳轉再次執行計算步驟( 2), 判斷C0與0~ 15數值範圍的關（guān）係。

       ( 4)M1通( C0為不大於15的非負數), 將C0值傳至C1(MOV指令)。

       ( 5)M2通( C0大於15), 30減去C0值, 差值存於C1( SUB指令)。

       ( 6)方向計算: 以M1~ M3最終狀態來計算反轉條件( Y001通) : M3通( C0原為負數), M1通( C0絕對（duì）值不大（dà）於15) ; 或（huò）者（zhě）M3 不（bú）通( C0 原為非負數), M2 通 ( C0絕對值大於15)。正轉條件( Y001不通): M3 通 ( C0原為負數), M1不通( C0 絕對值大於15 ); 或者M 3不通( C0原為非負數), M2不通( C0絕對值不大於15)。

       M 1與M2在判（pàn）斷時形成對立的通斷狀（zhuàng）態, 所以方向計（jì）算時不會同時接通或同時斷開。

       ( 7)換刀處（chù）理, 在第一次判斷C0 與0~ 15數值範（fàn）圍的關係時將主軸刀具代號(存儲在D208 )與設定刀具所在刀座( D208V0)的刀（dāo）具代號交換（huàn）( XCH 指令) , 同時把設定刀具所在刀座位置存到D201(MOV指令) , 實現程（chéng）序中的換刀操作（zuò）。邏（luó）輯關（guān）係如圖2 所示。

       4.3低速脈衝輸出

       ( 1)判斷（duàn）C1是否為0, 為0則將換（huàn）刀標誌M9 置位, 將（jiāng）刀座差符號標誌M3 和用於流（liú）程（chéng）控製M4 複位,跳過（guò）脈衝輸出程序。當C1 不為（wéi）0, 則繼續執行脈衝輸出程序。

       ( 2) C1與2比較, 結果存於M5開始的3個中間（jiān）繼電器（qì）中。M5~ M7接通條件（jiàn）如下: M5, C1小於2(即等於1) ; M6, C1等於2; M7, C1大（dà）於2。

       注: C1在刀座差計算程序中獲得的數（shù）據是（shì）設定刀具所在刀座與換刀位上當（dāng）前刀座間的（de）差值(非負數)。在此將（jiāng）它（tā）與2比較的意義在於, 看（kàn）刀庫應該（gāi）是高速運轉還是低速運（yùn）轉, 假如C1 大於2, 則需（xū）要高速運轉至刀座差為2再低速運轉; 假如C1不大於2, 則（zé）隻要低速（sù）運轉即可。

       ( 3)當C1不大於2(M7不通, 常閉觸點（diǎn）不動作),則執行低速脈衝輸出, 輸出脈衝（chōng）量（liàng）使刀庫轉過一個刀座位（wèi）置。

       ( 4)刀庫轉過一個刀座位置後, C1 減1。在（zài）此設計中, 轉動完成以DPLSR 語句影響的完成標誌M8029接（jiē）通來（lái）判斷（duàn）。

       ( 5) C1不大於2(M7不通), 則（zé）不需要高速脈（mò）衝輸出, 因此跳過高速脈衝輸出程序。如圖3所示。

       4.4 高速脈衝輸出

       ( 1) C1大於2(M7通), 則將C1減去2, 結果（guǒ）存到C2。

       ( 2)用C2計算刀庫（kù）高速旋轉所（suǒ）需的脈衝數, 結果（guǒ）存於D5~ D8。M8置位, 避免下次再次重複( 1) ( 2)兩步操作（zuò）, 以（yǐ）免產生錯誤, 並用於啟動高速脈衝輸出。

       ( 3)M8接通時啟（qǐ）動高速脈（mò）衝輸出, 高速脈衝輸出完成(M8029接通)後, 把C1 內容（róng）改為2, 用於低速脈衝輸出（chū）; M8複位, 斷開高速脈衝（chōng）輸出。

       4.5 方向（xiàng）信號先於脈衝（chōng）信號輸出的處理

       SH-20402A 控（kòng）製電（diàn）機轉向時, 應確保方向信號領先脈衝信號至少5s建立, 可避免驅動器（qì）對（duì）脈衝的錯誤響應。因此, PLC 方向信號的輸出應先（xiān）於脈衝信號輸出一個掃描周期。

       ( 1)方向計算並輸出後, M4置位並跳過脈（mò）衝輸出。

       ( 2)下一掃描（miáo）周期（qī）時, 由於M4接通（tōng）, 所（suǒ）以跳轉至P2實際（jì）是繼續執行脈衝輸出程序, 這樣使（shǐ）脈衝信號比方向信號遲一個掃描周期輸出到SH-20402A, 這樣可以避免產生錯（cuò）誤。

       ( 3)當脈衝輸出完成, C1變（biàn）為0時, M4 複位, M 9置位, 調（diào）至換刀信號輸出。

       4.6寄存器設置程序

       程（chéng）序采用上升沿輸入方式, 接通X004前, 相應寄存器設置內（nèi）容（róng）(二進製碼（mǎ）)必須先輸入, 以免設置錯誤,從D201到D240(變址寄（jì）存（cún）器V1從0到38, 當V 1= 38時, V1清零)按順序逐一設置其內容。旋轉一（yī）個刀（dāo）座位置所需脈衝數(二進製)、高速最（zuì）高脈衝頻率(二進（jìn）製)、低速（sù）最高脈衝頻率(二進製) 計算確定（dìng）後分開高十六位與（yǔ）低（dī）十（shí）六位分別輸入, 這些數據與刀庫傳動機構、步進電機參數有關（guān）。

       4.7換刀信號輸出及換刀完（wán）成信號輸入

       ( 1)M9在程序中作為換刀信號, 當M9通時, Y004接通, 電磁閥YV0接通, 機床換刀（dāo）。

       ( 2)換刀完（wán）成後, X003接通, M9複位。

       4.8 報（bào）警輸出和報警複位

       ( 1)M10通, 表（biǎo）示主軸（zhóu）和刀庫（kù）中找不到設定刀具,因此要報警輸（shū）出。

       ( 2)按下報警複位按鈕後, M10複位, 停止報（bào）警。

       4.9程序流程圖

       4.10梯（tī）形圖（tú）

       5 結束語（yǔ）

       PLC 有較好的邏輯處理（lǐ）功能, 在工（gōng）業控製（zhì）領域具有廣泛的應用空間。自動選（xuǎn）刀係統作為加工中（zhōng）心的重要組成部（bù）分, 實踐證明使用PLC 進行自（zì）動選刀控製（zhì）可以提高加工中心的靈活性, 簡化加工中心的刀具識別係統, 簡化刀具編碼操（cāo）作（zuò）, 能有效提高生產效率和刀具利用率。