基于西门子系统的液压刀架PLC控制研究

雷楠南

（三门峡职业技术学院 ， 河南 三门峡 472000）

一、引言

数控车床换刀装置根据控制原理分为电动刀架、液压刀架、电、液组合驱动刀架、伺服驱动刀架几种[1]94-96。其中，电动刀架和液压刀架应用最为广泛，电动刀架和液压刀架分别应用在普通数控车床和中、高端数控车床上。液压刀架相比较电动刀架，其优点是控制的刀具数量多、换刀过程转位速度快、转位平稳[2]164-166，主要应用于中、高端的大型数控车床上。在数控车床上实现液压刀架的PLC控制相比普通电动刀架较复杂[3]5-6，表现在刀架的双向就近选择转位方向，本文主要基于西门子系统厂家提供的换刀控制SBR47子程序，来研究西门子系统数控车床上液压刀架的PLC控制实现方法。

二、液压刀架捷径选择PLC控制

数控机床液压刀架主要应用于各类中高档数控车床，其特点是具有编码器刀位检测信号、能够双向就近换刀，换刀效率较高[4]231-232。在西门子系统数控车床上，对液压刀架的控制主要是基于子程序SBR47(TURRET2)来实现换刀控制[5]168-169，同时在该子程序中又调用了刀架转向的捷径选择子程序SBR48来实现转向的捷径选择控制[6]。此处，主要介绍捷径选择子程序功能如图1所示。在图1所示子程序中，输入信号如下：Tmax为刀架或刀库的最大刀位数；Pnum为编程刀具号；Pcurr为刀架或刀库当前位置。输出信号有：P_INDXo为预停刀位，即在就近找刀方向上，目标刀位的前一个刀位；DIR为换刀方向，若DIR信号为“1”，表示刀架正转（CW）；DIR信号为“0 ”，表示刀架反转（CCW）。

图1 刀架捷径选择控制子程序SBR48

与普通的电动刀架换刀控制相比较，液压刀架控制的特点是能够判断出就近找刀的方向，从而快速换刀。而捷径选择控制子程序SBR48的功能便是用来判断出就近找刀的方向以及预停刀位（既在就近方向上，目标刀具的前一个刀位）。判断的条件是刀架或刀库的最大刀位数和编程的刀具号。该子程序可以用于车床的刀架或加工中心刀库的就近找刀控制，刀架或刀库的刀位数范围为2～64。

为进一步说明刀架转向及预停刀位的判断方法，以图2所示刀架转向及预停刀位判别来举例。如当前刀位为7，目标刀位为2，由图2可知刀架反转时可快速旋转至2号刀位；在反转接近目标刀位方向上，目标刀具的前一个刀位为1号刀位，故预停刀位为1号刀位。再举例如当前刀位为7，目标刀位为5，由图2可知刀架正转时可快速旋转至5号刀位；在正转接近目标刀位方向上，目标刀具的前一个刀位为6号刀位，故预停刀位为6号刀位。

图2 刀架转向示意图

三、西门子系统液压刀架PLC控制

（一）自动换刀控制PLC程序实现

液压刀架在换刀前，应先作刀架初始化程序处理如图3所示。其中，LD0中存储最大刀位数，V31000000.0、V31000000.1分别为自动AUTO方式与MDA工作方式生效信号，V27000000.1为急停信号。系统执行换刀子程序时，先利用系统标志位SM0.0信号接通ADD_DI双整数相加功能指令，将最大刀位数LD0加1传送给LD8；然后复位刀架正、反转信号L7.1、L7.2及刀架锁紧信号L7.3。因为液压刀架可控制2～64把刀具，所以利用比较指令来判断LD0是否在2～64范围内，若不在可控制范围，便可利用RET指令直接结束换刀子程序。此外，当系统处于急停、或在自动和MDA方式下进行程序测试时，也可利用RET指令直接结束换刀子程序。

图3 刀架初始化处理程序

图4 读入当前刀位控制程序

如图4所示为读入当前刀位控制PLC程序，在执行换刀子程序时，利用换刀选通信号L6.5接通功能指令WAND_B与MOV_DW，将当前刀位数值存储于VD14000064。

图5 自动换刀时刀架转向判断程序

因为液压刀架上刀具数量较多，所以为便于快速找到目标刀具，在换刀时刀架的转向可通过捷径选择来确定刀架的转向，使刀架快速地旋转到目标刀位。如图5所示为自动换刀时刀架转向判断PLC程序，其中MD160中存储捷径选择时的预停刀位，MD164中存储目标刀位。在自动或MDA工作方式下进行自动换刀时，首先V31000000.0或V31000000.1信号生效，即触点接通；若编程T代码数值大于最大刀位数，即VD25002000数值大于LD8中的数值，则利用RET指令结束该子程序；或者当编程T代码数值等于当前刀位，即VD25002000数值等于VD14000064中的数值时，亦可利用RET指令结束该子程序；反之，利用MOV_DW功能指令将VD25002000数值传送给MD164。

在调用捷径选择子程序进行刀架转动方向判别时，M168.0为就近换刀方向信号,输出“1”信号时，刀架正向（CW）转动；输出“0”信号时，刀架反向（CCW）转动。因此，当M168.0输出“1”信号时，利用置位指令使刀架正转信号M156.0线圈接通，同时复位刀架反转信号M156.1线圈。反之，若M168.0输出“0”信号时，则利用置位指令使刀架反转信号M156.1线圈接通，同时复位刀架正转信号M156.0线圈。在刀架旋转换刀时，为保证机床运行安全，应利用CNC系统中的“读入禁止使能”信号V32000006.1禁止加工程序的执行，所以可利用置位指令接通V32000006.1线圈。

（二）手动换刀控制PLC程序实现

在数控机床上，通过手动方式选择相应刀具在某些场合应用较多。如图6所示为手动换刀方式刀架转向判别控制PLC程序，其中V31000000.2为手动JOG工作方式生效信号；L7.0为机床MCP面板上的手动换刀按键信号。在机床处于手动工作方式下，按下机床操作面板上的换刀按键时，利用L7.0接通时的上升沿信号使M168.0和M168.1线圈置位为“1”。因为M168.0输出“1”信号时，刀架正向（CW）转动，所以手动换刀时刀架只能正向转动。M168.1线圈为“1”信号时，表示刀架找刀完毕到位信号。接着，利用双整数相加功能指令，使当前刀位VD14000064中的数值加1，并存储于MD164中。由程序可知，手动换刀时，MD164中的数值只能从1增大到最大刀位数值，所以当MD164中的数值大于最大刀位数，即MD164大于LD8时，刀具应重新从刀具1开始计数。因此，当MD164中的数值大于最大刀位数LD8时，程序中利用MOV_DW功能指令将数值1传送给MD164。

图6 手动换刀时刀架转向判断程序

（三）刀架转向控制PLC程序实现

图7 刀架位置控制PLC程序

如图7所示为刀架位置控制PLC程序，M168.1为刀架找刀完毕到位信号，在该信号触点接通情况下，手动换刀时利用图中第一行程序控制刀架正转换刀。M168.2为刀架锁紧命令信号，当刀架旋转经过预停刀位时，利用刀架预停传感器信号L6.7的下降沿复位刀架正、反转信号M156.0或M156.1线圈，同时置位M168.2线圈、发出刀架锁紧命令；接着，若刀架正转，则利用M168.0触点接通并置位刀架反转信号M156.1线圈；反之，接通并置位刀架正转信号M156.0线圈，同时利用定时器T28控制其锁紧时间。M168.3为刀架电磁铁锁紧信号，在当前刀位VD14000064数值等于目标刀位数值MD164时，利用选通位L6.5的下降沿信号接通并置位M168.3线圈，发出刀架电磁铁锁紧命令。

四、结语

液压刀架主要应用于中高端数控车床如斜床身数控车床上，研究换刀控制的前提是弄清楚刀架工作原理。在实现刀架控制时，基于西门子系统换刀控制子程序SBR47进行修改使用可有效地提高编程效率。此外，要特别注意捷径选择子程序SBR48的调用。文中限于篇幅，未能详细介绍捷径子程序的具体内容；对于大部分编程人员而言，只需弄清楚子程序输入、输出变量含义，在编制主程序时正确调用子程序即可实现相应功能。西门子数控系统PLC控制的优势在于厂家为用户提供了丰富的子程序，因此在编程时建议大家基于子程序进行修改使用，实现机床相应控制功能。