基于PLC的双刀架数控车床控制系统设计

李红雷 张云鸽

（运城职业技术大学 山西省运城市 044000）

双刀架数控车床用于加工堵头，也适用于盘类零件的批量生产。堵头进行外圆和内孔的加工，传统加工每次只能加工单面，需进行两次加装夹，效率低下，采用双刀架数控车床，一次装夹即可实现同时两面的同时加工，提高了加工效率，采用工业机器人进行上下料，减少人工，提高人员安全性，提高经济效益。

1 双刀架数控车床系统的机械设计

为了方便下道工序，需对堵头外圆和内孔的同时加工，使其符合要求。传统机床加工时，对零件进行固定时，一般是采用夹具加紧外圈或内孔，这就造成两面不能同时加工，而且外圈和内孔的同心度不能有效保证。

本系统采用单轴双刀架进行加工，首先需在零件表面打定位孔，采用气动夹紧零件两侧，有效保证零件加工时的稳定性；由于固定点在零件正反面，因此不影响对零件外圆和内孔的加工。仅用一个定位孔，无法有限固定加工件，至少需要两个定位孔，定位孔位于圆盘上，在内孔两侧，因此需对钻床进行专业改造，同时安装两个钻头，同步打孔，可有效确保准确定位。

机床设计采用双刀架，一把刀用于加工外圆，采用普通车刀即可，仅需进行X轴与Z轴两个方向的运行；另一把刀用于加工内孔，采用L型刀架，需进行X轴与Z轴两个方向的运行，进刀需谨慎，以免与加工件发生碰撞，损坏车床及刀具。

2 双刀架数控车床的电气控制设计

车床主轴实现转速可调，电机采用变频器驱动；内外刀的X轴、Z轴需精确走位，因此均采用伺服驱动，与普通数控车床一样，各轴均需要相应的零位开关及限位开关。

车床电气控制系统图如图2所示。

采用PLC作为主控器，同时在车床上加装工业触摸屏，以便进行控制参数设置与设备状态参数展示。PLC采用开关量控制变频器启停，采用485通讯控制频率的给定与状态参数的读取；采用方向信号和脉冲信号控制伺服驱动器。PLC还需对其他设备进行控制，如工件夹紧电磁阀、照明、散热风扇等。

在PLC选型方面，因为PLC需要控制四个伺服电机，而每个伺服电机控制都需要高速脉冲信号，同时对于各刀来说，均需要走斜线（如加工倒角），此时需要运用插补运动指令，因此PLC选型需考虑运动控制功能。

3 双刀架数控车床的控制程序设计

3.1 车床的自动控制程序执行准备

3.1.1 外部器件参数设置

为满足设备控制功能，首先需要对变频器及伺服控制器的参数进行设置。针对变频器，除了匹配电机参数外，还需要将变频器控制方式选为V/F控制、运行命令通道选为端子运行命令、频率源选为485通讯；伺服参数需根据实际设置电子齿轮比，需考虑电机编码的分辨率、机械装置的二级传动比、框架皮带齿轮的大小等，需使数控车床的脉冲当量设为0.001。这个时候发一个脉冲，丝杆要带着托板走0.001mm。

3.1.2 初始化程序

图1：加工件示意图

每次开机后只需对各轴（即内X、内Z、外X、外Z）实行回原点操作。回原点执行过程为，回原点指令发出后，高速回原点，当检测到原点开关后，减速运行，当速度为爬行速度后，反转，以爬行速度返回，再次检测到原点信号下降沿信号时，即停止脉冲输出，同时将当前的绝对坐标值清零。在回原点过程中若出现意外，点击“取消”，刀架立即停止运动。

各轴回原点后，即可执行对刀操作，外刀对刀方法为：夹紧工件后，启动主轴，然后按手动进刀开始试车外圆，目测车大约3mm后，记录当前的位置信息，最后取下工件，测定所车工件的外径及纵向台阶深度尺寸，即可通过计算得出外刀的坐标坐标。同样方法，内刀对刀时，进行试车，目测车大约3mm后，记录当前的位置信息，最后测定所车工件的内孔直径、内深度及工件厚度尺寸，即可测量即可通过计算得出内刀的坐标信息。

系统其它参数设置，如转速系数，用于设置工件外圆线速度，即输入工件的外径尺寸，机床会自动调整主轴转速与其相适应；内、外Z速度系数是内、外刀纵向进给速度相关的系数，推荐值30（0.3mm/r）；单刀量是指每刀进刀量；尾刀量是指最后一刀的加工余量；“内刀补偿”、“外刀补偿”是为了解决因对刀误差造成加工误差而设置的。

为了方便加工，需加工要求规格设置为参数组，通过序号，调用相应的加工规格，提高设备的通用性和可操作性。

3.1.3 车床半自动流程

系统初始化参数设置完成后，即可实现自动加工；将工件装夹在工装上，按操作面板上的“夹紧”按钮，气缸顶紧后按“自动”按钮，机床同时对工件的内孔及外圆按设定值进行加工。完成后内、外刀分别退出，主轴停止转动，按“松开”按钮，取下工件，即可完成对工件的加工。

4 工业机器人上下料设计

图2：双刀架数控车床电气图

目前双刀架数控车床上下料等操作均是人工操作，为了提高工厂自动化、智能化水平、减少人工，实现堵头的全自动加工，因此有必要在机床上下料设计中应用工业机器人系统，工业机器人与数控车床相互配合，满足工件的加工需求，利用工业机器人完成零件抓取、上料、下料、装夹、移位等操作，节省人工成本，提高生产效率。

4.1 夹具设计

为方便工业机器人抓取、上料、下料等操作，首先需设计合适夹具，设计夹具夹紧工件的外圈，采用气动机构完成夹紧操作，选择合理的气缸行程，使夹具即可完成成品的夹取，也可进行原材料和半成品的夹取操作。

4.2 设备改造

为了使机器人和数控机床之间进行有序工作，要使加工工件的数控车床、打定位孔所用的钻床实现远控及自动操作。数控车床采用PLC控制，无需硬件改造，但系统采用工业机器人作为主控单元，因此数控加工需在外部（机器人）发出命令后，自动完成夹紧、关门、自动加工等步骤，需对程序加以改动，完成外部控制功能。钻床为手动操作，因此需将钻床改为自动加工，需将钻床上、下行控制改为步进或伺服电机控制，同时需设备的启停和加工改为自动或远程控制，因此需对钻床增加主控器，可采用小型PLC设备（如西门子S7200SMART等）。

数控机床的上料时，因工件固定有定位销，而定位销固定于主轴上，跟随主轴一起转动，而主轴采用变频控制，自由停车，因此无法保证停车时定位销一直在同一个角度，给机器人上料造成很大困难。采用三种方案进行解决：

（1）工业机器人上增加视觉检测模块，通过视觉模块，算出车床主轴停车角度，传送角度数据给工业机器人，工业机器人根据角度数据调整姿态，从而保证机器人能够正常上料；

（2）工业机器人主轴驱动改为带绝对值编码器的步进或伺服驱动，通过编码器信号的反馈和控制程序的编写，保证主轴每次停机均在固定角度姿态，从而证机器人能够以固定姿态上料；

（3）采用防反转机械卡槽机构，主轴正常时，机构不动作，主轴反转时，机构卡槽使主轴卡在固定角度，保证主轴在每次上料前固定在一种姿态，从而证机器人能够以固定姿态上料。

综合比较，第一种方案因需增加视觉检测设备，价格高；第二种方案比第一种方案造价低，但由于要更换驱动电机及相应设备，另外因增加伺服或步进电机的控制，机床PLC程序修改较大；第三种方案相对造价较低，可靠性高，变频器低频实现反转控制也方便，机床PLC程序修改较方便，因此选用第三种方案。

5 双刀架数控车床的控制系统设计

整个车床系统由工业机器人代替原有人工，因此本系统以工业机器人作为控制核心，工业机器人加装I/O拓展模块，钻床、数控车床的状态信号传给工业机器人的数字信号输入点，而工业机器人数字信号输出点控制钻床、数控车床启、停、及其开、关门等动作。

为了保证系统安全可靠运行，在启动之前系统会判断工业机器人、上下料区、钻床和数控车床是否符合运行条件，系统各组成部分无故障报警。工业机器人即可按设计的流程进行运行，包括自身运动、上下料、控制车床加工等。

机器人程序需按工作流程进行编写。工业机器人移动到车床（包括钻床和数控车床）附近安全位置时，需首先判定车床当前的状态，确认处于空闲时，即可向车床发出开门信号，待确认车床开门状态后，方可放置工件，但机器人运行至安全位置后，方可发出向车床发出关门及加工指令，加工完成取工件同理，保证正常加工流程，防止出现撞车。

6 结语

本文首先设计了合理的双刀架数控车床系统方案，适用于堵头自动化的加工，具有高度的自动化水平，使机床能够满足快速、大批量的生产要求，节省了人力资源成本、提高了机床利用率。