全功能數控雙伺服動力刀架的PLC程序研究*

劉洪強 張 鵬 化春雷 徐兆成 楊國強

（沈陽機床（集團）有限責任公司，遼寧 沈陽 110142）

伺服動力刀架是車床及車削中心所需的核心功能部件。現有高速數控機床的伺服動力刀架多數采用國外SAUTER、DUPLOMATIC等公司的產品。“十一五”國家重大專項“全功能數控雙伺服動力刀架”課題研究的主要目的是實現雙伺服動力刀架系列化、國產化，以滿足高檔數控機床項目功能部件國產化的需求。進而提高我國數控機床及相關裝備的整體制造能力，推動國產數控機床功能部件的發展與提高。

本文主要以“十一五”國家重大專項為平臺，對專項設計的帶Y軸雙伺服動力刀架的PLC程序進行研究。該部件實際安裝在我廠HTC系列臥式車削中心上，數控系統為西門子802D sl，配有主軸、動力頭、CS軸、X、Z、Y軸共6個軸。其中有1個軸需要配置為PLC軸，在實際配置中將Y軸配置為PLC軸。本文主要對Y軸設置為PLC軸部分的PLC程序和伺服動力刀架部分PLC關鍵點程序進行解析。

1 PLC軸控制程序應用研究

本項目中系統選擇的是西門子802D sl Plus版，可以用PLC控制1個簡單的定位軸，這種定位軸可以完全不受NC程序的影響，在NC程序執行的過程中并行控制，并不受NC啟動或停止的影響。

1.1 西門子802D sl中的PLC軸

（1）可以完全由PLC控制。

（2）通過接口信號V380×3000/V390×3000對PLC軸進行控制。

（3）用于簡單的定位控制。

（4）定位控制不受NC加工程序的影響。

（5）可以是直線軸、旋轉軸或分度軸，不能為主軸或幾何軸。

1.2 PLC 軸操作

（1）在JOG、INC、REF操作方式下，同NC軸一樣，通過點動鍵進行點動和回參考點操作。

（2）在AUTO、MDA操作方式下，PLC軸的速度和位置僅由PLC通過接口VB380×300/VB390×300來控制;不能通過加工程序對軸地址進行編程，但可以利用NC－PLC的公共數據區，在NC程序中控制PLC。

1.3 PLC軸的機床參數配置

（1）MD10000 AXCONF_MACHAX_NAME_TAB［5］=PL，機床坐標名稱為PL。

（2）MD19100 NUM_AXES_IN_SYSTEM=6，系統軸數為6。

選取CBOE的新興市場ETF波動率指數作為衡量原油金融屬性的指標，代碼VXEEM，該指標于2011年3月16日開始發布。VXEEM是采用CBOE的VIX計算方法對跟蹤新興市場ETF的期權計算出來，反映MSCI新興市場指數基金的隱含波動率（見圖9）。股市是經濟的晴雨表，相較于滯后公布的許多宏觀數據，股市的波動率直接反映了投資者對于未來宏觀經濟的信心。

（3）MD20070 AXCONF_MACHAX_USED［5］=6，將PLC軸的軸號6與實際的軸對應。

（4）MD20080 AXCONF_CHANAX_NAME_TAB［5］=6，設定第6個機床軸名為PL。

（5）MD30460 BASE_FUNCTION_MASK［AX6］=20，該軸被指定為PLC控制。

1.4 PLC軸的時序

PLC軸的動作時序圖如圖1所示。

①狀態:激活PLC軸定位功能;

②狀態:PLC軸定位功能已激活;

③狀態:定位位置到達;

④狀態:PLC收到確認信號后復位PLC軸定位功能激活信號;

⑤狀態:定位功能激活信號已復位;

⑦狀態:定位功能已激活。

1.5 PLC軸的PLC程序

在西門子子程序庫中，提供了1個PLC控制的示例程序PLC_AXIS（SBR41），本項目應用了該程序塊對PLC軸進行控制。圖2為PLC程序圖，在編程過程中應用到了NC和PLC的數據交換區，通過H功能可以在NC程序段編程對PLC軸進行控制，進而將PLC軸和NC軸有機地結合到一起。

NC程序示例:

H1=70

H2=300

M98

其中:H1為PLC軸的實際位置;H2為實際轉速;M98為開始移動軸。

執行后，PLC軸將以300 mm/min的速度運行到位置70 mm處。

2 伺服動力刀架PLC程序研究

本項目中刀架本體部分采用SFW系列臥式刀架驅動，動力頭電動機為西門子1FT7105電動機，采用西門子功率模塊直接驅動。項目的關鍵點在于PLC程序的時序和動力頭與刀盤旋轉的信號處理。在此，將PLC程序分2部分介紹:一是在手動、回零方式下調用異步子程序;二是自動方式下M06調用宏程序。在介紹這2部分之前先對刀架本體轉位的電氣時序圖加以說明。如圖3所示為刀架從一工位轉到二工位、從二工位轉到六工位的時序圖。

刀架本體運行說明:刀架控制器實時檢測刀架運行狀態，若有異常則報警;CNC系統執行選刀指令后，首先設置刀架選刀目標工位信號（PBIT1、PBIT2、PBIT4和 PBIT8），T1≥20 ms后，PSTART（選刀開始）信號置“1”且T2≥30 ms;刀架控制器接到CNC系統的選刀指令后，刀架控制器定位輸出信號INDEXD置“0”，刀架控制器自動進行選刀邏輯運算，自動確定轉位方向和轉動工位數;同時刀架控制器發出松開指令，松開閥啟動，刀架松開;鎖緊信號由有至無，刀架控制器鎖緊輸出信號LOCKED置“0”;刀架伺服電動機轉動，刀架轉動到目標工位;刀架控制器發出鎖緊指令，鎖緊閥閉合，刀架傳感器鎖緊信號來，刀架鎖緊;刀架控制器發出選刀完成指令和鎖緊指令即INDEXD置“1”和LOCKED置“1”，至此選刀結束。任何模式下刀架轉位方式與此相同。

2.1 手動、回零調用異步子程序

在執行機床操作之前，首先需要將伺服刀架回零。回零之前需要先將動力頭刀套退回，以防止回零過程刀套與刀盤碰撞。程序如圖4～9所示。

圖4程序解析:在回參考點模式下按動回零按鈕V10000001.7 后等待刀盤轉位完成信號 M8.7，M8.7信號為1時，置位刀盤回零信號M44.4，在回零完成時將1賦值給當前工位VD14000084。

圖5程序解析:當收到刀架回零信號 M44.0、M8.1或M8.3后，置位刀架旋轉指令 M8.4。程序接收到M8.4信號先執行動力頭刀套退回Q9.2，動力頭退回到位信號I11.7觸發后，置位M215.0作為刀盤旋轉PSTART的啟動信號Q7.6，這樣才能夠保證刀盤的安全旋轉。

圖6程序解析:M215.0觸發后置位PSTART信號Q7.6，INDEXD 信號 I11.1和 LOCKED 信號 I11.0為0時代表刀盤松開并開始旋轉。

圖7程序解析:當 INDEXD信號 I11.1和LOCKED信號I11.0為1時代表刀盤轉位完成并鎖緊刀盤，此時置位刀架旋轉完成信號M8.7，本次換刀動作完成。

圖8程序解析:當換刀完成指令M8.7信號為1時，置位PLC與NC交換信號V49000080.0，給NC發送指令;同時當換刀指令M8.4為1時，讀入禁止，待換刀完成后解除讀入禁止。

圖9程序解析:回零完成后換刀條件 m7.1（M7.1）才滿足，換刀條件滿足后，在手動模式下按刀架旋轉按鈕 V10000001.7后 M8.0為1，M8.0為1后將刀架當前工位 VD14000080+1賦值給目標工位VD14000084;然后 M8.0 賦給刀架旋轉指令 M8.4，之后過程PLC與回零一樣。

在手動或回零過程中需要調用如下異步子程序PLCAUP1，完成刀盤旋轉之前的動力頭刀套退回，然后等待刀架旋轉完成后，刀套邊旋轉邊伸出，直到伸出到位信號來之后程序結束。

2.2 自動M06調用宏程序

在自動方式下需要調用NC程序TOOL與PLC部分一起完成刀盤旋轉之前的動力頭刀套退回，然后等待刀架旋轉完成后，刀套邊旋轉邊伸出，直到伸出到位信號來之后程序結束。TOOL的內容與PLCAUP1一致。PLC程序如圖10所示。

圖10程序解析:換刀條件滿足時，在MDA或AUTO狀態下執行T碼后，T碼變化信號V25000008.0為1時，激活自動換刀信號 M8.1;并將 T碼后面數值VD25002000賦值給刀架旋轉目標工位VD14000084;然后M8.1賦給刀架旋轉指令M8.4，之后過程PLC與回零一樣。

在應用M06調用NC程序時需要設置如下機床數據:

（1）MD22550 TOOL_CHANGE_MODE=1，利用 M碼激活刀具參數。

（2）MD10715 M_NO_FCT_CYCLE［0］=6，M06 調用換刀固定循環。

（3）MD10716 M_NO_FCT_CYCLE_NAME［0］=“TOOL”6，固定循環名。

3 結語

本文詳細介紹了帶Y軸雙伺服動力刀架的PLC程序，及其西門子802D sl系統配置PLC軸的方法，為相關同仁的研究提供參考。

［1］Siemens.DOCOND 2010［Z］.2010.

［2］Siemens.西門子802D sl簡明調試手冊2008［Z］.2008.