0引言

       作為數控加工中心, 刀庫的選刀是其核（hé）心部分之一, 直接影響刀庫、機械手和主軸間的自動換刀, 對機床的加工效率（lǜ）和加工精度具有十分重要的意義[ 1] 。經過長時期（qī）的發（fā）展（zhǎn）, PLC已具有強大的運算能力, 良好的通訊（xùn）功能, 極高的處理速度, 已獲得廣泛的應用。對於高精尖的大型數控機床主要部件目前大部（bù）分都用（yòng）的進口（kǒu）元件, 費用高[ 2 ] 。PLC及其定位控製（zhì）器用於（yú）刀庫、機械手和主軸間的自動換刀控製, 取代某些昂貴的進口（kǒu）元件, 降低了設備費用, 是降低費用的最佳的選擇。對於小型加工中心的自動選刀控製, 是一種理想的控製設備。

       1 加工中心選刀方式

       1.1 順序選刀

       選刀方式要求按工藝過程的順序(即刀具使用順（shùn）序)將刀具安（ān）置在刀座中, 使用時按刀具的安（ān）置（zhì）順序逐一取用, 用後放回原刀座中[ 3] 。

       1.2隨機（jī）選刀（dāo）

       ( 1)刀座編碼選刀: 對刀庫各刀座編碼（mǎ）, 把與刀座編碼對應的（de）刀具一一放入（rù）指定的刀座中, 編（biān）程時用地址T指出刀具所（suǒ）在刀座編碼。

       ( 2)計算機記憶選刀: 刀具號和存刀（dāo）位（wèi）置或刀座號對應地記憶在計算機的存（cún）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（jī）記憶也隨之改變。在刀庫裝有位置檢測裝置, 刀（dāo）具可以任意取（qǔ）出, 任意送回。

       2 設計要求（qiú）

       刀庫中有30個刀座, 屬於（yú）連續型刀庫（kù）, 可以是圓盤型刀庫（kù）, 也（yě）可使用（yòng）鏈式刀（dāo）庫, 刀（dāo）庫類型雖有所不同,但選刀控製方式相似, 使用步（bù）進電機正反轉控製（zhì）。采用隨機（jī）選（xuǎn）刀方式, 刀庫中30個刀座（zuò）不一定都有刀具, 其中的道具編號與刀座編號不一定相同。T 指令輸入時程（chéng）序大致執行過程如下: 在刀庫中查（chá）找T指令要求的刀具, 找到時判斷其所在刀座與換到（dào）位的位（wèi）置關係, 刀（dāo）庫以比較短距離的方式(正轉或反（fǎn）轉（zhuǎn）)高（gāo）速轉至距離（lí）換刀位兩個刀座差的位置, 低速轉到換刀位, 向機（jī）床輸出換刀信號[ 4] 。

       3 PLC接口

       CNC 送至PLC 的信息可由開（kāi）關量輸出信號(對CNC 側)完（wán）成, 也可由CNC直接送入PLC 的寄存器中（zhōng）。在本（běn）設計中, 采用（yòng）前一種方式（shì）, 以（yǐ）開關量（liàng）信號進行信息交換[ 5] 。

       本設計中, 在初次運行時必（bì）須使PLC 的信息與CNC 同步, 所以設置一個寄存器設置的接口觸點X004; T 指令是（shì）CNC 的選刀信號, 所以設置一個T 指令接口觸點X005。PLC 的數據（jù）寄存器單個均為16b i,t所以設置寄存器內容時除寄存器設置觸點外, 還要（yào）16個觸點配合使用, 用於二（èr）進製碼輸入。與T指令配合使用的刀（dāo）具代號以BCD 碼方式輸入, 因此, 寄（jì）存器中刀具（jù）代（dài）號均使用BCD 碼儲存。T指令的BCD 碼與寄存器設置的二進製碼使（shǐ）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（yīn）此選用三菱FX2N-48MR 型PLC機, 它是基本單元, 輸入輸出點數各24點。當PLC 僅用作刀庫自動選刀時（shí）, FX2N-48MR可滿足要求, 但還有其他用途時則可能需要（yào）更多點的型號[ 6] 。Y000和（hé）Y001可采用晶體管脈衝輸出, 也可采用繼電器輸出方（fāng）式; 其他輸出均采用繼電器輸出（chū）方式。本設計輸出口采用繼電（diàn）器輸出（chū）方式。

       4 梯形圖及程序

       4.1T指（zhǐ）令輸入和（hé）刀（dāo）具檢索

       采用X005上升沿輸（shū）入並（bìng）邏輯（jí）取反指令INV, 作用是使從LD X005到標記（jì）P3之間的程（chéng）序在X005上升沿這個掃描周期內執行一次, 其餘時間執行到（dào）LDP X005這一行時跳過而不執行。

       SER 指令是數據搜索指令, 當T 指令輸入時, 在主軸和刀庫中（zhōng）查（chá）找T 指令（lìng）所要求的刀具。T 指令輸入,在主軸和刀庫中查找（zhǎo）設定刀具, 結果存於D0~ D4。沒有找（zhǎo）到設定（dìng）刀具, M 11置位(用於報警輸出) , 跳轉至P3, 報警（jǐng）輸出; 找到（dào）設定刀具, 將設定刀具所在位置(存於D1)存入變（biàn）址寄存器V0 中(MOV 指令) , 用於後續處理。設定刀具處於換（huàn）刀位（wèi）的刀座上, 換刀標（biāo）誌M 9置（zhì）位; 設定刀具（jù）在換刀位刀座或者主軸（zhóu）上時, 刀庫都（dōu）不需轉動, 因此跳過脈衝（chōng）輸出等（děng）程序段[ 4] 。

       4.2 刀座差及刀庫轉向計算、換刀處理

       計算過程如下:

       ( 1)設定刀具所在（zài）刀座減去換刀位當前（qián）刀座位置,結（jié）果存於C0( SUB指令)。

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

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

       ( 4)M1通( C0為不大於15的（de）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（xiàng）計算（suàn）: 以M1~ M3最終狀態來計算反轉條件（jiàn）( Y001通) : M3通( C0原為負數), M1通( C0絕對值不大於15) ; 或者M3 不通( C0 原為非負（fù）數), M2 通 ( C0絕對值大於（yú）15)。正轉條件（jiàn）( Y001不通): M3 通 ( C0原為負數（shù）), M1不通( C0 絕對值大於15 ); 或者M 3不通( C0原（yuán）為非負數), M2不通( C0絕對值不大於15)。

       M 1與M2在判斷時形成對（duì）立的（de）通斷狀態, 所以方向計算時不會同時接通或同時斷（duàn）開。

       ( 7)換刀（dāo）處理, 在第一次判斷C0 與0~ 15數值範圍的關係（xì）時將主軸刀具（jù）代號(存（cún）儲在（zài）D208 )與設定刀具所在刀座( D208V0)的刀（dāo）具代號交換( XCH 指令) , 同時把（bǎ）設定刀具所在刀座位置存到D201(MOV指令) , 實現程序中的（de）換刀（dāo）操作。邏輯關係如（rú）圖2 所（suǒ）示。

       4.3低（dī）速脈衝輸出

       ( 1)判（pàn）斷（duàn）C1是否為（wéi）0, 為0則將換刀標誌M9 置位, 將刀座差符號標誌M3 和用於流程控製M4 複位,跳過脈衝輸出程序。當C1 不為0, 則繼（jì）續執行脈衝輸出程序。

       ( 2) C1與2比較, 結果存於M5開始的3個中間繼電器中。M5~ M7接通條件如下（xià）: M5, C1小於2(即等於1) ; M6, C1等於2; M7, C1大於2。

       注: C1在刀座差計算程序中獲得的數據是設定刀具所在刀座與換刀位（wèi）上當前刀座間的差值（zhí）(非負數)。在此將它與2比較的意義在於, 看刀庫應該是高速運轉還是低速（sù）運轉, 假如C1 大於2, 則需要（yào）高速運轉至（zhì）刀座差（chà）為2再低速運轉; 假如C1不大於2, 則隻要（yào）低速運轉即可。

       ( 3)當C1不大於2(M7不通, 常閉觸點不動作),則執行低速脈衝輸出, 輸出脈衝量使刀庫轉過一個刀座位置。

       ( 4)刀庫轉過一個刀（dāo）座位置後, C1 減1。在此設計中, 轉動完成以DPLSR 語句影響的完成標誌（zhì）M8029接通來判斷。

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

       4.4 高速脈衝輸（shū）出

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

       ( 2)用C2計算刀庫（kù）高速旋轉所需（xū）的脈衝數, 結（jié）果存於D5~ D8。M8置位, 避免下次再次重複( 1) ( 2)兩步操作, 以免產生錯誤（wù）, 並用於啟動高速脈衝輸（shū）出。

       ( 3)M8接通時啟動高速脈衝輸出, 高（gāo）速脈衝輸出完成(M8029接通)後, 把C1 內（nèi）容改為2, 用於低速脈衝輸出; M8複位, 斷（duàn）開高速脈衝輸出。

       4.5 方向信號先於脈衝信號輸出的處（chù）理

       SH-20402A 控製電機轉向時（shí）, 應確保方向信號領先脈衝信號（hào）至少5s建立, 可避免驅動器對脈衝（chōng）的錯誤響應。因此（cǐ）, PLC 方向（xiàng）信號的輸出應先於脈衝信號輸出一個掃描周期（qī）。

       ( 1)方（fāng）向計算並輸出後, M4置（zhì）位並跳過脈衝輸出。

       ( 2)下一掃描周期時, 由（yóu）於M4接通（tōng）, 所以跳轉至P2實（shí）際是繼續（xù）執行（háng）脈衝輸出程序, 這樣使脈衝信號比（bǐ）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誤。

       ( 3)當脈衝輸出完成, C1變為0時, M4 複位, M 9置位, 調至換刀信號輸出。

       4.6寄存器設置（zhì）程序

       程序采用上升沿（yán）輸入方式, 接通X004前, 相（xiàng）應寄存器設置內容(二進製（zhì）碼（mǎ）)必須先輸入, 以（yǐ）免設置（zhì）錯誤,從D201到D240(變址寄存器V1從0到38, 當V 1= 38時, V1清零)按（àn）順序逐一設置其內容。旋轉一個刀座位置所需脈衝（chōng）數(二進製)、高速（sù）最高脈衝頻率(二進製)、低速最高脈衝頻率(二進製) 計算確定後分開高十六位與低十六位分別輸入, 這些數據與刀庫傳動機構、步進電機參數（shù）有關。

       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（wéi）換（huàn）刀信號, 當M9通時（shí）, Y004接通, 電磁閥YV0接通（tōng）, 機（jī）床換刀。

       ( 2)換刀完成後, X003接通（tōng）, M9複位。

       4.8 報警輸出和報警複位

       ( 1)M10通, 表示主軸和刀庫（kù）中找不到設定刀具,因此要報警輸出。

       ( 2)按下報警複位按鈕後, M10複位, 停止報警。

       4.9程序流程圖（tú）

       4.10梯形圖

       5 結束語

       PLC 有較好（hǎo）的邏輯處理功能, 在工業控製領域具（jù）有廣泛的應用（yòng）空間。自（zì）動選刀係統作為（wéi）加工中心的（de）重要組成部分（fèn）, 實踐證明使用PLC 進行自動選（xuǎn）刀控（kòng）製（zhì）可以（yǐ）提（tí）高加工中心的靈活性, 簡化加工中心（xīn）的刀具識別係統, 簡化刀具編碼操作, 能（néng）有效提高生產效率（lǜ）和刀具利用率。