西門子802D系統數控機床電動刀架PLC控制
2020-8-5 來源：三門峽職業技術學院 作者：雷楠南
摘 要: 分析了西門子802D系統數控車床電動刀架的換刀控制過程， 系統地研究了電動刀架換刀控制子程序、列出了相關控制接口信號。 以CK6140數控車床為例，編制了四工位電動刀架換刀控制PLC程序。
關鍵詞：西門子； 數控系統； 電動刀架； 換刀控制； PLC程序
一、引 言
數控車床的自動換刀過程通常由 PLC 控制回轉刀架來實現，在實際使用過程中回轉刀架有兩種：電動回轉刀架和液壓回轉刀架。電動回轉刀架因為結構簡單、易于控制且經濟性好等原因，廣泛應用于經濟型數控車床。液壓刀架結構較復雜、但刀具容量大、換刀速度快，且定位準確，所以廣泛應用于高檔數控車床[1]287-289。電動回轉刀架通常由底座、刀架體、驅動電機、蝸輪蝸桿、螺紋升降機構、端面齒牙盤和刀位檢測裝置等部件組成，刀具可通過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現[2]231-232。在數控車床上,電動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 程序設計時主要考慮 CNC 系統信號與 PLC 信號處理。以配置西門子 802D 系統的數控車床為例，因為 PLC 集成在數控系統上，所以編制換刀控制 PLC 程序時，要先分析控制要求，弄清編程涉及的接口信號，然后可參照西門子系統換刀控制子程序編制出合適的換刀控制程序。
二、西門子 802D 系統數控車床電動刀架換刀控制流程
（一）電動刀架換刀控制過程
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。電動刀架換刀控制有兩種，手動換刀與自動換刀：手動換刀指的是在手動 JOG 操作方式有效時，按下換刀按鍵，刀架體轉位至下一把刀具；自動換刀，即當 CNC 系統在執行數控加工程序過程中，讀入并執行換刀 T 指令時，刀架實現正轉換刀的方式。以四工位的電動刀架為例，在自動換刀方式下，CNC 系統讀入編程刀號后，首先應判斷編程刀號，若編程刀號不為 0、不等于當前刀號且 T 代碼正確（T 代碼指令刀號范圍應為 1 至 4）情況下才能進行換刀。當 T 指令刀具換刀到位后，刀架電機停止轉動并延時，延時時間到后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，刀架轉位至下一把刀具，控制流程較為簡單。為便于換刀 PLC 程序設計，繪制出數控車床電動刀架的控制流程如圖 1 所示[3]92-95。
圖 1 電動刀架換刀控制流程
（二）西門子 802D 系統電動刀架換刀控制相關信號
在實現電動刀架換刀控制時，西門子數控系統廠家為方便用戶使用，專門設計了 PLC 子程序庫。在西門子 802D 系統上，涉及電動刀架控制的子程序為 SBR46(TURRET1)[4]148-150。一般情況下，在實際機床使用過程中，用戶會根據刀架控制要求對子程序進行修改和完善。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，在實現電動刀架控制時所涉及的控制信號及編程地址應保持一致，802D系統涉及換刀控制的信號如表 1 所示。
表 1 802D 系統電動刀架控制信號表
三、電動刀架換刀程序編制
根據前述電動刀架換刀控制流程，下面以CK6140 數控車床電動刀架換刀控制為例，編制換刀控制程序。在編制換刀控制 PLC 程序時，首先應編制刀位檢測程序如圖 2 所示。在自動換刀過程中，為防止編程 T 代碼錯誤，通常要編制程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 位二進制格式“最大刀位數”轉換成 32 位二進制格式并保存在局部變量 LD16 上。如此處電動刀架為四工位，則最大刀位數設定值為 4。在后續換刀程序中，CNC 系統讀入編程 T 代碼后，要將 T 代碼數值與 LD16 中數值進行比較，只有 T 代碼數值小于 LD16 中設定的最大刀位數值時，T 代碼才有實際意義。因為刀架為四工位電動刀架，所以編程時只需讀入四個刀位信號。由于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”，該觸點接通；若 CNC 用戶數據 MD14510[11]bit7 設定 為 “1” 時 ， 表 示 電動 刀架 有 效 即 變 量VW45001011.7 值為“1”，該觸點接通；由此便可將局部變量 L6.1 至 L6.4 輸入的刀位檢測信號轉換為32 位二進制格式數據存儲在 LD12 中。在生產實際中，刀架無論處于某一刀位必有一個位置檢測信號。如果刀架處于停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 中數值為 0，從而接通局部變量 L7.5，使 CNC 報警變量 V16000003.1 為“1”，顯示用戶報警 700025：“刀架無位置檢測信號”
圖 2 刀位轉換控制 PLC 梯形圖程序設計
當數控車床通過編程 T 代碼指令實現自動換刀時，可編制如圖 3 所示 PLC 程序。在西門子 802D系統上，當 CNC 讀入編程 T 代碼指令時，其譯碼數值存儲于變量 VD25002000。同時，來自 CNC 的 T代碼修改信號 TF 選通，即變量 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 位二進制 T 代碼刀號讀入并輸出到 LD20。若編程 T 代碼數值小于用戶設定的最大刀位數，即 LD20數值小于刀架刀位設定值 LD16，則表示編程指令中指定的刀號正確，通過取反指令使“編程刀具號大于刀架最大刀位數”信號 L7.6 為“0”；接著，要進一步判斷 LD20 中的 T 代碼數值是否為“0”；若為“0”則“編程刀號為 0”信號 M112.6 為“1”，由于實際生產中無 0 號刀，所以電動刀架無換刀動作。最后，再利用一致性判別指令判斷存儲于 LD20 中的編程指令T 代碼數值與 LD12 中的實際刀位 T 代碼數值是否相等，若相等則表示編程刀位到達，即“編程刀號與實際到位一致”信號 M112.7 為“1”，無需換刀。由此可見，只有當 LD20 中的 T 代碼數值小于刀架刀位設定值 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 自動換刀控制 PLC 梯形圖程序設計
當電動刀架滿足換刀條件、執行自動換刀時，應編制 PLC 程序實現刀架正轉換刀與反轉鎖緊控制如圖 3 所示后續程序。由于換刀前，刀架處于停止狀態，所以“刀架停止”信號 L8.1 為“1”；當 LD20 中的T 代碼數值小于刀架刀位設定值 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 中的編程指令 T 代碼與LD12 中的實際刀位 T 代碼不相等，則 M112.7 信號為“0”；此時，如果 T 代碼修改信號 TF 選通時V25000001.4 為“1”，可利用上升沿信號置位“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入和進給，使 CNC 進入輔助功能執行等待狀態，所以編程時必須使 CNC 進給禁止使能 信 號 V32000006.0、 讀入使能禁止信 號V32000006.1 置位為“1”。當換刀結束時，即 LD20 中的編程指令 T 代碼與 LD16 中的實際刀位 T 代碼相等，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”，利用最后一行程序執行上升沿信號，復位“刀架正轉”信號 M112.0，同時置位“刀架反轉”信號 M112.1，使刀架反轉鎖緊。
反轉鎖緊時間 LW2 時，T14 常開觸點接通便可復位“刀架反轉”信號 M112.1、“T 代碼換刀起動”信號M113.1；同時，要結束輔助功能控制，進行下一程序段的讀入和進給，就必須復位進給禁止使能信號V32000006.0 和讀入使能禁止信號 V32000006.1。此外，當“T 代碼換刀起動”信號 M113.1 為“1”，且“刀架正轉”信號 M112.0 為“1”時，可接通定時器 T15用于監控最大選刀時間。若刀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，定時器 T15 常開觸點接通便可復位“刀架正轉”信號 M112.0，停止刀架轉動；并置位 L7.7 并使報警變量 V16000003.0 為“1”，使 CNC 顯示 700024報警：“在監控時間內未找到目標刀具”。
圖 4 手動換刀控制 PLC 梯形圖程序設計
圖 5 刀架反轉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式時，可編制手動換刀控制 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 信號為“1”。由于換刀起動前，刀架處于停止狀態，所以“刀架停止”信號 L8.1 為“1”。當按下機床操作面板上的換刀按鍵 K4 時，L6.0 信號為“1”。利用該信號的上升沿可置位“刀架正轉”信號 M112.0 為“1”，起動刀架回轉；松開換刀按鍵時，L6.0 信號為“0”，利用該信號的下降沿可置位“刀架反轉”信號 M112.1 為“1”，使刀架反轉鎖緊；同時復位“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鎖緊正確，通常設計刀架反轉鎖緊及最大選刀時間監控 PLC 程序如圖 5 所示。不論是自動換刀還是手動換刀，只要“刀架反轉”鎖緊信號 M112.1 為“1”，首先會接通反轉鎖緊時間控制定時器 T14；當定時器 T14 定時時間達到用戶數據 MD14510[22]設定的反轉鎖緊時間 LW2 時，T14 常開觸點接通便可復位“刀架反轉”信號 M112.1、“T 代碼換刀起動”信號M113.1；同時，要結束輔助功能控制，進行下一程序段的讀入和進給，就必須復位進給禁止使能信號V32000006.0 和讀入使能禁止信號 V32000006.1。此外，當“T 代碼換刀起動”信號 M113.1 為“1”，且“刀架正轉”信號 M112.0 為“1”時，可接通定時器 T15用于監控最大選刀時間。若刀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，定時器 T15 常開觸點接通便可復位“刀架正轉”信號 M112.0，停止刀架轉動；并置位 L7.7 并使報警變量 V16000003.0 為“1”，使 CNC 顯示 700024報警：“在監控時間內未找到目標刀具”。如圖 6 所示 PLC 程序為電動刀架控制信號輸出程序。
圖6 刀架輸出信號PLC 梯形圖程序設計
在電動刀架換刀過程中，若按下機床操作面板 MCP 上的 NC 復位按鍵，則 V10000003.0 信號為“1”，可直接復位“刀架正轉”信號 M112.0、“刀架反轉”信號 M112.1、“T 代碼換刀起動”信號 M113.1、報警 信 號 L7.7， 以 及 復 位 進 給 禁 止 使 能 信 號V32000006.0 和讀入使能禁止信號 V32000006.1。當松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 的常閉觸點用于正反轉輸出的互鎖控制。當按下急停按鈕時，急停狀態信號 V27000000.1 為“1”；或刀架電機發生過載情況時，“過載輸入”信號 L7.1 為“0”。當發生急停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。此外，刀架電機過載時，“過載輸入”信號 L7.1 為“0”，可利用 L7.1 的常閉觸點接通 L8.0，輸出刀架電機過載報警信號。刀架正反轉信號正常情況下，可接通 L7.4，作為換刀按鍵 K4 指示燈輸出信號。電動刀架換刀控制 PLC 程序一般由上述幾部分組成，用戶編程時可根據控制要求自行編寫，也可基于西門子系統提供的子程序進行修改以達到控制目的。
四、結語
文中詳細分析了數控車床電動刀架的換刀控制流程，并以西門子 802D 系統為例介紹了電動刀架換刀控制相關接口信號。然后，以 CK6140 數控車床四工位電動刀架換刀控制為例，介紹了換刀控制PLC 程序編制方法。目前，西門子數控系統 PLC 編程技術資料相對較少、程序編制復雜且較難理解，通過完整的換刀程序編制及說明，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故障時，可幫助數控維修人員識讀相應 PLC 程序，迅速判斷故障點，排除故障。
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