隨著工業(ye) 自動化的普及和發展，機械製造業(ye) 對於(yu) 機床的要求越來越高，隨之出現了以減少勞動力、提高工作效率為(wei) 目的的新型機床加工中心。加工中心是典型的集高新技術於(yu) 一體(ti) 的機械加工設備，是滿足現代製造業(ye) 的高科技機床，主要用於(yu) 加工更換頻繁及複雜、精度要求較高的零件，它的發展代表了一個(ge) 國家設計和製造業(ye) 的水平，已成為(wei) 現代機床發展的主流方向。與(yu) 普通數控機床相比，加工中心具有自動換刀裝置，能自動更換刀具，在一次裝卡中完成銑、鏜、鑽、擴、鉸、攻絲(si) 等，工序高度集中，其加工效率和精度均高於(yu) 普通機床。傳(chuan) 統機床主要采用繼電器一接觸器進行控製，故障率高、可靠性差、維修工作量大，采用PLC控製係統可以很好地解決(jue) 上述問題。本實例將討論PLC在加工中心運動控製中的應用。

    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(ce) 為(wei) 該加工中心使用的刀庫，其中，T1、T2、T3為(wei) 鑽頭，實現鑽削功能；T4、T5、T6為(wei) 銑刀，實現銑削功能。加工中心有三個(ge) 坐標軸：X軸、Y軸、Z軸，分別由三個(ge) 伺服電動機控製，實現加工中心的左右、前後和上下運動，同時，在X軸方向安裝有檢測工作台左右運動極限位置的兩(liang) 個(ge) 限位開關(guan) ，在Y軸方向安裝有檢測工作台前後運動極限位置的兩(liang) 個(ge) 限位開關(guan) ，在Z軸方向安裝有檢測工作台上下運動極限位置的兩(liang) 個(ge) 限位開關(guan) 。此外，該加工中心還有指示運動的運動指示燈以及指示三個(ge) 軸向運動的指示燈，X燈、Y燈和Z燈，以及控製加工中心運動的運行控製按鈕。

    圖8-11    加工中心示意圖

    二、控製係統硬件設計

    1．係統輸入/輸出信號分析

    PLC的輸入信號共有10路，需占用10個(ge) 輸入端子，具體(ti) 分配如下：控製加工中心運行的啟動按鈕，需1路輸入信號；控製加工中心分別沿X軸、Y軸和Z軸運動的3個(ge) 按鈕，需3路輸入信號；指示X軸方向左右運動極限的2個(ge) 限位開關(guan) ，指示Y軸前後運動極限的2個(ge) 限位開關(guan) ，指示Z軸方向上下運動極限的2個(ge) 限位開關(guan) 。

    PLC的輸出信號共有13路，需要13個(ge) 輸出端子，具體(ti) 描述如下：指示加工中心正常運行的指示燈，接1個(ge) 輸出端子；控製三個(ge) 鑽頭T1 - T3運動的3台電動機，需3個(ge) 輸出端子；控製3個(ge) 銑刀運動的3台電動機，需3個(ge) 輸出端子；控製加工中心沿X軸、Y軸和Z軸運動的3台伺服電動機，需3個(ge) 輸出端子；以及控製X軸、Y軸和Z軸運動停止的3個(ge) 輸出信號，需3個(ge) 輸出端子。

    2．PLC的輸入/輸出分配表

    根據上述對加工中心輸入/輸出信號的分析，可編製如表8-2所示的PLC輸入/輸出分配表。

    表8-2    PLC輸入/輸出分配表

序號	地址	名稱	功能說明
10路數字輸入信號
1	I0.0	按鈕SB1	啟動加工中心運動
2	I0.1	按鈕SB2	控製X軸運動
3	I0.2	按鈕SB3	控製Y軸運動
4	I0.3	按鈕SB4	控製Z軸運動
5	I0.4	限位開關(guan)	X軸方向左到位
6	I0.5	限位開關(guan)	X軸方向右到位
7	I0.6	限位開關(guan)	Y軸方向前到位
8	I0.7	限位開關(guan)	Y軸方向後到位
9	I1.0	限位開關(guan)	Z軸方向上到位
10	I1.1	限位開關(guan)	Z軸方向下到位
13路數字輸出信號
1	Q0.0	接指示燈	運行指示
2	Q0.1	鑽頭電動機	T1鑽頭
3	Q0.2	鑽頭電動機	T2鑽頭
4	Q0.3	鑽頭電動機	T3鑽頭
5	Q0.4	銑刀電動機	T4為(wei) 銑刀
6	Q0.5	銑刀電動機	T5為(wei) 銑刀
7	Q0.6	銑刀電動機	T6為(wei) 銑刀
8	Q0.7	控製伺服電動機	X軸，1為(wei) 左移，0為(wei) 右移
9	Q1.0	控鍋伺服電動機	Y軸，1為(wei) 前移，0為(wei) 後移
10	Q1.1	控製伺服電動機	Z軸，1為(wei) 上移，0為(wei) 下移
11	Q1.2	控製伺服電動機	停止X軸運動
12	Q1.3	控製伺服電動機	停止Y軸運動
13	Q1.4	控製伺服電動機	停止Z軸運動

    3．PLC選型

    根據表8-2中的輸入/輸出分配情況，參看第2章中的表2-1，本控製實例中的PLC可選用西門子公司S7 - 200係列中的小型PLC - CPU226。

    4．PLC硬件接線圖

    根據前述介紹，可設計如圖8 -12所示的PLC硬件接線圖。

    圖8-12    PLC硬件接線圖

    三、控製係統程序設計

    (1)加工流程。為(wei) 了向讀者介紹加工中心的PLC控製實例，本節用一個(ge) 典型的加工流程來闡述PLC在加工中心控製中的具體(ti) 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組運動，可劃分為(wei) 18個(ge) 步驟，本實例中用位存儲(chu) 器M11.0～M11.7、M12.0～M12.7、M13.0～M13.1的狀態來控製這18個(ge) 步驟。首先產(chan) 生周期為(wei) 3s的脈衝(chong) ，按下啟動按鈕，延時3s，使M10.0為(wei) 1，然後以脈衝(chong) 的速度右移，使位存儲(chu) 器M11.0～M11.7、M12.0～M12.7、M13.0～M13.1分別為(wei) 1。

    圖8-13    加工中心自動控製流程圖

    動作過程描述如下：啟動加工中心，運動指示燈Q0.0亮，選用T1鑽頭，首先啟動X軸方向伺服電動機(Q0.7)，使加工中心從(cong) 零位開始沿X軸運動（M11.0為(wei) 1），運動到指定的位置後，X軸方向停止運動，Z軸(Q1.1)向下運動，達到指定位置後，T1鑽頭(Q0.1)開始鑽孔（M11.1為(wei) 1）。該工步完成後，Z軸向上運動到指定位置，退下T1鑽頭（M12.1為(wei) 1），換上T2鑽頭。然後加工中心沿Y軸(Q1.0)運動（M11.3為(wei) 1），達到指定位置後停止，再沿Z軸向下運動，達到指定位置後停止，開始T2鑽頭(Q0.2)鑽孔（M11.4為(wei) 1）。T2鑽頭鑽完孔後，Z軸向上運動到指定位置後退下T2鑽頭（M11.5為(wei) 1），換T3鑽頭。然後控製加工中心分別沿X軸(Q0.7)和Y軸(Q1.0)運動到指定位置（M11.6為(wei) 1），然後控製加工中心沿Z軸(Q1.1)向下運動到指定位置，控製T3鑽頭(Q0.3)鑽孔（M11.7為(wei) 1）。該工步完成後，控製加工中心沿Z軸(Q1.1)向上運動到指定位置後停止，退鑽頭T3（M12.0為(wei) 1）、換銑刀T4 (Q0.4)。然後控製加工中心沿Z軸(Q1.1)向下運動到指定位置，T4銑刀運動(M12.1為(wei) 1)，沿X軸( Q0.7)執行銑削加工（M12.2為(wei) 1）。該工步完成後，控製加工中心沿Z軸(Q1.1)向上運動到指定位置後退刀（M12.3為(wei) 1），換銑刀T5。然後控製加工中心沿Z軸(Q1.1)向下運動到指定位置，T5銑刀(Q0.5)運動（M12.4為(wei) 1），沿Y軸進行銑削加工（M12.5為(wei) 1）。該工步完成後，控製加工中心沿Z軸(Q1.1)向上運動到指定位置後退刀（M12.6為(wei) 1），換銑刀T6。然後控製加工中心沿Z軸(Q1.1)向下運動到指定位置，T6銑刀(Q0.6)運動（M12.7為(wei) 1），控製T6銑刀沿和X軸(Q0.7)、Y軸(Q1.0)執行銑削加工（M13.0為(wei) 1）。該工步完成後，控製加工中心沿Z軸(Q1.1)向上運動到指定位置後退刀（M13.1為(wei) 1），至此該加工流程結束。

    其中：運動指示燈(Q0.0)點亮的條件是I0.0為(wei) 1；T1鑽頭(Q0.1)運動的條件是M11.1為(wei) 1；T2鑽頭(Q0.2)運動的條件是M11.4為(wei) 1；T3鑽頭(Q0.3)運動的條件是M11.7為(wei) 1；T4銑刀(Q0.4)運動的條件是M12.1為(wei) 1；T5銑刀(Q0.5)運動的條件是M12.4為(wei) 1；T6銑刀(Q0.6)運動的條件是M12.7為(wei) 1；加工中心沿X軸方向(Q0.7)運動的條件是M11.0、M11.6、M12.2和M13.0為(wei) 1；沿Y軸方向(Q1.0)運動的條件是M11.3、M11.6、M12.5和M13.0為(wei) 1；沿Z軸方向(Q1.1)運動的條件是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(wei) 1。

    為(wei) 了更好地闡述PLC在數控加工中心控製係統中的應用，本實例采用自動編程和手動編程兩(liang) 種方法，來對加工中心進行控製，首先介紹自動編程方法。

    (2)自動控製編程。

    自動控製梯形圖程序如圖8-14所示。

    圖8-14    自動控製梯形圖

    (3)手動編程。為(wei) 使讀者更好地理解加工中心的PLC編程原理，本部分針對下述動作流程編寫(xie) 手動控製程序，動作過程描述如下：

    1)按下“運行控製”開關(guan) ，啟動係統，運行指示燈亮（Q0.0為(wei) 1）。加工中心沿X軸方向向左運動（Q0.7為(wei) 1），帶動工件沿X軸向左運動。

    2)到達“X左”限位，此時工件到達指定位置。然後T鑽頭沿Z軸向下運動，對工件進行鑽孔。

    3)到達“Z下”限位，T1鑽頭對工件進行鑽孔加工。

    4)鑽孔完畢，T1鑽頭沿Z軸向上運動，返回刀庫，達到“Z上”限位，係統將自動取銑刀T5，準備對工件進行銑削加工，銑刀T5沿Z軸向下運動。

    5)到達“Z下”限位，Z軸停止運動，使加工中心沿Y軸方向向前運動（Q1.0為(wei) 1），對工件進行銑削加工。

    6)達到“Y前”限位，銑刀對工件加工完畢，然後使加工中心沿Z軸向上運動（Q1.1複位為(wei) 1），係統進入退刀狀態。

    7)到達“Z上”限位，銑刀T5回刀庫，複位，進入下一輪加工循環。

    該動作流程所對應的梯形圖8-15所示。

    圖8-15    手動控製梯形圖