隨著工業(yè)自動(dòng)化的普及和發(fā)展，機(jī)械制造業(yè)對(duì)于機(jī)床的要求越來越高，隨之出現(xiàn)了以減少勞動(dòng)力、提高工作效率為目的的新型機(jī)床加工中心。加工中心是典型的集高新技術(shù)于一體的機(jī)械加工設(shè)備，是滿足現(xiàn)代制造業(yè)的高科技機(jī)床，主要用于加工更換頻繁及復(fù)雜、精度要求較高的零件，它的發(fā)展代表了一個(gè)國家設(shè)計(jì)和制造業(yè)的水平，已成為現(xiàn)代機(jī)床發(fā)展的主流方向。與普通數(shù)控機(jī)床相比，加工中心具有自動(dòng)換刀裝置，能自動(dòng)更換刀具，在一次裝卡中完成銑、鏜、鉆、擴(kuò)、鉸、攻絲等，工序高度集中，其加工效率和精度均高于普通機(jī)床。傳統(tǒng)機(jī)床主要采用繼電器一接觸器進(jìn)行控制，故障率高、可靠性差、維修工作量大，采用PLC控制系統(tǒng)可以很好地解決上述問題。本實(shí)例將討論P(yáng)LC在加工中心運(yùn)動(dòng)控制中的應(yīng)用。

    一、加工中心概述

    加工中心的示意圖如圖8-11所示，圖中左上側(cè)為該加工中心使用的刀庫，其中，T1、T2、T3為鉆頭，實(shí)現(xiàn)鉆削功能；T4、T5、T6為銑刀，實(shí)現(xiàn)銑削功能。加工中心有三個(gè)坐標(biāo)軸：X軸、Y軸、Z軸，分別由三個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)加工中心的左右、前后和上下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，在X軸方向安裝有檢測(cè)工作臺(tái)左右運(yùn)動(dòng)極限位置的兩個(gè)限位開關(guān)，在Y軸方向安裝有檢測(cè)工作臺(tái)前后運(yùn)動(dòng)極限位置的兩個(gè)限位開關(guān)，在Z軸方向安裝有檢測(cè)工作臺(tái)上下運(yùn)動(dòng)極限位置的兩個(gè)限位開關(guān)。此外，該加工中心還有指示運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)指示燈以及指示三個(gè)軸向運(yùn)動(dòng)的指示燈，X燈、Y燈和Z燈，以及控制加工中心運(yùn)動(dòng)的運(yùn)行控制按鈕。

    圖8-11    加工中心示意圖

    二、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

    1．系統(tǒng)輸入/輸出信號(hào)分析

    PLC的輸入信號(hào)共有10路，需占用10個(gè)輸入端子，具體分配如下：控制加工中心運(yùn)行的啟動(dòng)按鈕，需1路輸入信號(hào)；控制加工中心分別沿X軸、Y軸和Z軸運(yùn)動(dòng)的3個(gè)按鈕，需3路輸入信號(hào)；指示X軸方向左右運(yùn)動(dòng)極限的2個(gè)限位開關(guān)，指示Y軸前后運(yùn)動(dòng)極限的2個(gè)限位開關(guān)，指示Z軸方向上下運(yùn)動(dòng)極限的2個(gè)限位開關(guān)。

    PLC的輸出信號(hào)共有13路，需要13個(gè)輸出端子，具體描述如下：指示加工中心正常運(yùn)行的指示燈，接1個(gè)輸出端子；控制三個(gè)鉆頭T1 - T3運(yùn)動(dòng)的3臺(tái)電動(dòng)機(jī)，需3個(gè)輸出端子；控制3個(gè)銑刀運(yùn)動(dòng)的3臺(tái)電動(dòng)機(jī)，需3個(gè)輸出端子；控制加工中心沿X軸、Y軸和Z軸運(yùn)動(dòng)的3臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)，需3個(gè)輸出端子；以及控制X軸、Y軸和Z軸運(yùn)動(dòng)停止的3個(gè)輸出信號(hào)，需3個(gè)輸出端子。

    2．PLC的輸入/輸出分配表

    根據(jù)上述對(duì)加工中心輸入/輸出信號(hào)的分析，可編制如表8-2所示的PLC輸入/輸出分配表。

    表8-2    PLC輸入/輸出分配表

    3．PLC選型

    根據(jù)表8-2中的輸入/輸出分配情況，參看第2章中的表2-1，本控制實(shí)例中的PLC可選用西門子公司S7 - 200系列中的小型PLC - CPU226。

    4．PLC硬件接線圖

    根據(jù)前述介紹，可設(shè)計(jì)如圖8 -12所示的PLC硬件接線圖。

    圖8-12    PLC硬件接線圖

    三、控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

    (1)加工流程。為了向讀者介紹加工中心的PLC控制實(shí)例，本節(jié)用一個(gè)典型的加工流程來闡述PLC在加工中心控制中的具體情況，該加工過程的流程圖如圖8 13所示。該加工流程包含6組運(yùn)動(dòng)，可劃分為18個(gè)步驟，本實(shí)例中用位存儲(chǔ)器M11.0～M11.7、M12.0～M12.7、M13.0～M13.1的狀態(tài)來控制這18個(gè)步驟。首先產(chǎn)生周期為3s的脈沖，按下啟動(dòng)按鈕，延時(shí)3s，使M10.0為1，然后以脈沖的速度右移，使位存儲(chǔ)器M11.0～M11.7、M12.0～M12.7、M13.0～M13.1分別為1。

    圖8-13    加工中心自動(dòng)控制流程圖

    動(dòng)作過程描述如下：啟動(dòng)加工中心，運(yùn)動(dòng)指示燈Q0.0亮，選用T1鉆頭，首先啟動(dòng)X軸方向伺服電動(dòng)機(jī)(Q0.7)，使加工中心從零位開始沿X軸運(yùn)動(dòng)（M11.0為1），運(yùn)動(dòng)到指定的位置后，X軸方向停止運(yùn)動(dòng)，Z軸(Q1.1)向下運(yùn)動(dòng)，達(dá)到指定位置后，T1鉆頭(Q0.1)開始鉆孔（M11.1為1）。該工步完成后，Z軸向上運(yùn)動(dòng)到指定位置，退下T1鉆頭（M12.1為1），換上T2鉆頭。然后加工中心沿Y軸(Q1.0)運(yùn)動(dòng)（M11.3為1），達(dá)到指定位置后停止，再沿Z軸向下運(yùn)動(dòng)，達(dá)到指定位置后停止，開始T2鉆頭(Q0.2)鉆孔（M11.4為1）。T2鉆頭鉆完孔后，Z軸向上運(yùn)動(dòng)到指定位置后退下T2鉆頭（M11.5為1），換T3鉆頭。然后控制加工中心分別沿X軸(Q0.7)和Y軸(Q1.0)運(yùn)動(dòng)到指定位置（M11.6為1），然后控制加工中心沿Z軸(Q1.1)向下運(yùn)動(dòng)到指定位置，控制T3鉆頭(Q0.3)鉆孔（M11.7為1）。該工步完成后，控制加工中心沿Z軸(Q1.1)向上運(yùn)動(dòng)到指定位置后停止，退鉆頭T3（M12.0為1）、換銑刀T4 (Q0.4)。然后控制加工中心沿Z軸(Q1.1)向下運(yùn)動(dòng)到指定位置，T4銑刀運(yùn)動(dòng)(M12.1為1)，沿X軸( Q0.7)執(zhí)行銑削加工（M12.2為1）。該工步完成后，控制加工中心沿Z軸(Q1.1)向上運(yùn)動(dòng)到指定位置后退刀（M12.3為1），換銑刀T5。然后控制加工中心沿Z軸(Q1.1)向下運(yùn)動(dòng)到指定位置，T5銑刀(Q0.5)運(yùn)動(dòng)（M12.4為1），沿Y軸進(jìn)行銑削加工（M12.5為1）。該工步完成后，控制加工中心沿Z軸(Q1.1)向上運(yùn)動(dòng)到指定位置后退刀（M12.6為1），換銑刀T6。然后控制加工中心沿Z軸(Q1.1)向下運(yùn)動(dòng)到指定位置，T6銑刀(Q0.6)運(yùn)動(dòng)（M12.7為1），控制T6銑刀沿和X軸(Q0.7)、Y軸(Q1.0)執(zhí)行銑削加工（M13.0為1）。該工步完成后，控制加工中心沿Z軸(Q1.1)向上運(yùn)動(dòng)到指定位置后退刀（M13.1為1），至此該加工流程結(jié)束。

    其中：運(yùn)動(dòng)指示燈(Q0.0)點(diǎn)亮的條件是I0.0為1；T1鉆頭(Q0.1)運(yùn)動(dòng)的條件是M11.1為1；T2鉆頭(Q0.2)運(yùn)動(dòng)的條件是M11.4為1；T3鉆頭(Q0.3)運(yùn)動(dòng)的條件是M11.7為1；T4銑刀(Q0.4)運(yùn)動(dòng)的條件是M12.1為1；T5銑刀(Q0.5)運(yùn)動(dòng)的條件是M12.4為1；T6銑刀(Q0.6)運(yùn)動(dòng)的條件是M12.7為1；加工中心沿X軸方向(Q0.7)運(yùn)動(dòng)的條件是M11.0、M11.6、M12.2和M13.0為1；沿Y軸方向(Q1.0)運(yùn)動(dòng)的條件是M11.3、M11.6、M12.5和M13.0為1；沿Z軸方向(Q1.1)運(yùn)動(dòng)的條件是M11.0、M12.2、M11.4、M11.5、M11.7、M12.0、M12.1、M12.3、M12.4、M12.6、M12.7和M13.1為1。

    為了更好地闡述PLC在數(shù)控加工中心控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，本實(shí)例采用自動(dòng)編程和手動(dòng)編程兩種方法，來對(duì)加工中心進(jìn)行控制，首先介紹自動(dòng)編程方法。

    (2)自動(dòng)控制編程。

    自動(dòng)控制梯形圖程序如圖8-14所示。

    圖8-14    自動(dòng)控制梯形圖

    (3)手動(dòng)編程。為使讀者更好地理解加工中心的PLC編程原理，本部分針對(duì)下述動(dòng)作流程編寫手動(dòng)控制程序，動(dòng)作過程描述如下：

    1)按下“運(yùn)行控制”開關(guān)，啟動(dòng)系統(tǒng)，運(yùn)行指示燈亮（Q0.0為1）。加工中心沿X軸方向向左運(yùn)動(dòng)（Q0.7為1），帶動(dòng)工件沿X軸向左運(yùn)動(dòng)。

    2)到達(dá)“X左”限位，此時(shí)工件到達(dá)指定位置。然后T鉆頭沿Z軸向下運(yùn)動(dòng)，對(duì)工件進(jìn)行鉆孔。

    3)到達(dá)“Z下”限位，T1鉆頭對(duì)工件進(jìn)行鉆孔加工。

    4)鉆孔完畢，T1鉆頭沿Z軸向上運(yùn)動(dòng)，返回刀庫，達(dá)到“Z上”限位，系統(tǒng)將自動(dòng)取銑刀T5，準(zhǔn)備對(duì)工件進(jìn)行銑削加工，銑刀T5沿Z軸向下運(yùn)動(dòng)。

    5)到達(dá)“Z下”限位，Z軸停止運(yùn)動(dòng)，使加工中心沿Y軸方向向前運(yùn)動(dòng)（Q1.0為1），對(duì)工件進(jìn)行銑削加工。

    6)達(dá)到“Y前”限位，銑刀對(duì)工件加工完畢，然后使加工中心沿Z軸向上運(yùn)動(dòng)（Q1.1復(fù)位為1），系統(tǒng)進(jìn)入退刀狀態(tài)。

    7)到達(dá)“Z上”限位，銑刀T5回刀庫，復(fù)位，進(jìn)入下一輪加工循環(huán)。

    該動(dòng)作流程所對(duì)應(yīng)的梯形圖8-15所示。

    圖8-15    手動(dòng)控制梯形圖