全功能数控双伺服动力刀架的PLC程序研究*

刘洪强 张 鹏 化春雷 徐兆成 杨国强

（沈阳机床（集团）有限责任公司，辽宁 沈阳 110142）

伺服动力刀架是车床及车削中心所需的核心功能部件。现有高速数控机床的伺服动力刀架多数采用国外SAUTER、DUPLOMATIC等公司的产品。“十一五”国家重大专项“全功能数控双伺服动力刀架”课题研究的主要目的是实现双伺服动力刀架系列化、国产化，以满足高档数控机床项目功能部件国产化的需求。进而提高我国数控机床及相关装备的整体制造能力，推动国产数控机床功能部件的发展与提高。

本文主要以“十一五”国家重大专项为平台，对专项设计的带Y轴双伺服动力刀架的PLC程序进行研究。该部件实际安装在我厂HTC系列卧式车削中心上，数控系统为西门子802D sl，配有主轴、动力头、CS轴、X、Z、Y轴共6个轴。其中有1个轴需要配置为PLC轴，在实际配置中将Y轴配置为PLC轴。本文主要对Y轴设置为PLC轴部分的PLC程序和伺服动力刀架部分PLC关键点程序进行解析。

1 PLC轴控制程序应用研究

本项目中系统选择的是西门子802D sl Plus版，可以用PLC控制1个简单的定位轴，这种定位轴可以完全不受NC程序的影响，在NC程序执行的过程中并行控制，并不受NC启动或停止的影响。

1.1 西门子802D sl中的PLC轴

（1）可以完全由PLC控制。

（2）通过接口信号V380×3000/V390×3000对PLC轴进行控制。

（3）用于简单的定位控制。

（4）定位控制不受NC加工程序的影响。

（5）可以是直线轴、旋转轴或分度轴，不能为主轴或几何轴。

1.2 PLC 轴操作

（1）在JOG、INC、REF操作方式下，同NC轴一样，通过点动键进行点动和回参考点操作。

（2）在AUTO、MDA操作方式下，PLC轴的速度和位置仅由PLC通过接口VB380×300/VB390×300来控制;不能通过加工程序对轴地址进行编程，但可以利用NC－PLC的公共数据区，在NC程序中控制PLC。

1.3 PLC轴的机床参数配置

（1）MD10000 AXCONF_MACHAX_NAME_TAB［5］=PL，机床坐标名称为PL。

（2）MD19100 NUM_AXES_IN_SYSTEM=6，系统轴数为6。

选取CBOE的新兴市场ETF波动率指数作为衡量原油金融属性的指标，代码VXEEM，该指标于2011年3月16日开始发布。VXEEM是采用CBOE的VIX计算方法对跟踪新兴市场ETF的期权计算出来，反映MSCI新兴市场指数基金的隐含波动率（见图9）。股市是经济的晴雨表，相较于滞后公布的许多宏观数据，股市的波动率直接反映了投资者对于未来宏观经济的信心。

（3）MD20070 AXCONF_MACHAX_USED［5］=6，将PLC轴的轴号6与实际的轴对应。

（4）MD20080 AXCONF_CHANAX_NAME_TAB［5］=6，设定第6个机床轴名为PL。

（5）MD30460 BASE_FUNCTION_MASK［AX6］=20，该轴被指定为PLC控制。

1.4 PLC轴的时序

PLC轴的动作时序图如图1所示。

①状态:激活PLC轴定位功能;

②状态:PLC轴定位功能已激活;

③状态:定位位置到达;

④状态:PLC收到确认信号后复位PLC轴定位功能激活信号;

⑤状态:定位功能激活信号已复位;

⑦状态:定位功能已激活。

1.5 PLC轴的PLC程序

在西门子子程序库中，提供了1个PLC控制的示例程序PLC_AXIS（SBR41），本项目应用了该程序块对PLC轴进行控制。图2为PLC程序图，在编程过程中应用到了NC和PLC的数据交换区，通过H功能可以在NC程序段编程对PLC轴进行控制，进而将PLC轴和NC轴有机地结合到一起。

NC程序示例:

H1=70

H2=300

M98

其中:H1为PLC轴的实际位置;H2为实际转速;M98为开始移动轴。

执行后，PLC轴将以300 mm/min的速度运行到位置70 mm处。

2 伺服动力刀架PLC程序研究

本项目中刀架本体部分采用SFW系列卧式刀架驱动，动力头电动机为西门子1FT7105电动机，采用西门子功率模块直接驱动。项目的关键点在于PLC程序的时序和动力头与刀盘旋转的信号处理。在此，将PLC程序分2部分介绍:一是在手动、回零方式下调用异步子程序;二是自动方式下M06调用宏程序。在介绍这2部分之前先对刀架本体转位的电气时序图加以说明。如图3所示为刀架从一工位转到二工位、从二工位转到六工位的时序图。

刀架本体运行说明:刀架控制器实时检测刀架运行状态，若有异常则报警;CNC系统执行选刀指令后，首先设置刀架选刀目标工位信号（PBIT1、PBIT2、PBIT4和 PBIT8），T1≥20 ms后，PSTART（选刀开始）信号置“1”且T2≥30 ms;刀架控制器接到CNC系统的选刀指令后，刀架控制器定位输出信号INDEXD置“0”，刀架控制器自动进行选刀逻辑运算，自动确定转位方向和转动工位数;同时刀架控制器发出松开指令，松开阀启动，刀架松开;锁紧信号由有至无，刀架控制器锁紧输出信号LOCKED置“0”;刀架伺服电动机转动，刀架转动到目标工位;刀架控制器发出锁紧指令，锁紧阀闭合，刀架传感器锁紧信号来，刀架锁紧;刀架控制器发出选刀完成指令和锁紧指令即INDEXD置“1”和LOCKED置“1”，至此选刀结束。任何模式下刀架转位方式与此相同。

2.1 手动、回零调用异步子程序

在执行机床操作之前，首先需要将伺服刀架回零。回零之前需要先将动力头刀套退回，以防止回零过程刀套与刀盘碰撞。程序如图4～9所示。

图4程序解析:在回参考点模式下按动回零按钮V10000001.7 后等待刀盘转位完成信号 M8.7，M8.7信号为1时，置位刀盘回零信号M44.4，在回零完成时将1赋值给当前工位VD14000084。

图5程序解析:当收到刀架回零信号 M44.0、M8.1或M8.3后，置位刀架旋转指令 M8.4。程序接收到M8.4信号先执行动力头刀套退回Q9.2，动力头退回到位信号I11.7触发后，置位M215.0作为刀盘旋转PSTART的启动信号Q7.6，这样才能够保证刀盘的安全旋转。

图6程序解析:M215.0触发后置位PSTART信号Q7.6，INDEXD 信号 I11.1和 LOCKED 信号 I11.0为0时代表刀盘松开并开始旋转。

图7程序解析:当 INDEXD信号 I11.1和LOCKED信号I11.0为1时代表刀盘转位完成并锁紧刀盘，此时置位刀架旋转完成信号M8.7，本次换刀动作完成。

图8程序解析:当换刀完成指令M8.7信号为1时，置位PLC与NC交换信号V49000080.0，给NC发送指令;同时当换刀指令M8.4为1时，读入禁止，待换刀完成后解除读入禁止。

图9程序解析:回零完成后换刀条件 m7.1（M7.1）才满足，换刀条件满足后，在手动模式下按刀架旋转按钮 V10000001.7后 M8.0为1，M8.0为1后将刀架当前工位 VD14000080+1赋值给目标工位VD14000084;然后 M8.0 赋给刀架旋转指令 M8.4，之后过程PLC与回零一样。

在手动或回零过程中需要调用如下异步子程序PLCAUP1，完成刀盘旋转之前的动力头刀套退回，然后等待刀架旋转完成后，刀套边旋转边伸出，直到伸出到位信号来之后程序结束。

2.2 自动M06调用宏程序

在自动方式下需要调用NC程序TOOL与PLC部分一起完成刀盘旋转之前的动力头刀套退回，然后等待刀架旋转完成后，刀套边旋转边伸出，直到伸出到位信号来之后程序结束。TOOL的内容与PLCAUP1一致。PLC程序如图10所示。

图10程序解析:换刀条件满足时，在MDA或AUTO状态下执行T码后，T码变化信号V25000008.0为1时，激活自动换刀信号 M8.1;并将 T码后面数值VD25002000赋值给刀架旋转目标工位VD14000084;然后M8.1赋给刀架旋转指令M8.4，之后过程PLC与回零一样。

在应用M06调用NC程序时需要设置如下机床数据:

（1）MD22550 TOOL_CHANGE_MODE=1，利用 M码激活刀具参数。

（2）MD10715 M_NO_FCT_CYCLE［0］=6，M06 调用换刀固定循环。

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

3 结语

本文详细介绍了带Y轴双伺服动力刀架的PLC程序，及其西门子802D sl系统配置PLC轴的方法，为相关同仁的研究提供参考。

［1］Siemens.DOCOND 2010［Z］.2010.

［2］Siemens.西门子802D sl简明调试手册2008［Z］.2008.