基于PLC的数控加工中心两轴联动控制的研究

二、硬件设计

　　硬件部分包括输入部分和输出部分，见图3 和图4：

图3 输入部分
 
图4 输出部分

　　其中，PLC 的电源控制开关是QF1，它通过内部扁平编程电缆和运动控制模块20GM 连接（如图3 中较粗黑线）。PLC 的输入按钮包括机床启动X10、机床停止X11、两轴动作按钮X12、单轴动作按钮X13、正向X14、反向X15 以及复位X16 等多个项目，主要用于用户输入开关量；PLC 的输出是Y0 触点和Y1 触点，其中Y0 通过继电器KA0 的线圈连接到公共端COM，并通过KA0 触点连接接触器KM 线圈，由KM 的触点和空气开关QF2 一起控制X 轴和Z 轴步进电机驱动器的通断。

　　Y1 触点通过其常闭触点Y1 控制Z 轴步进电机驱动器的通断，从而使机床处于单轴动作状态。

　　当线路连接完毕后，合上QF1，并将PLC 的状态开关拨至“PROG”编程状态，此时将梯形图文件传送至PLC。将20GM 的编程电缆也连接到上位PC 机上，并将20GM 的状态开关拨至“MANU”手动状态上。然后通过拍20GM 专用软件 “FXVPS-E”将定位程序传送至20GM。

　　将开关QF2 合上，并将PLC 的状态开关拨至“RUN”状态，将20GM 的状态开关拨至“AUTO”状态，PLC 的Y0 输出从而使KM 主触头闭合，驱动器1 和驱动器2 得电。按下PLC 输入端的“复位”按钮后，X 轴和Z 轴将回到原位，整个系统处于归零工作状态。其中，HJD-4 试验机已在原位设置了位置开关，用于系统硬件归零。

　　若断开开关QF1，PLC 将失电，从而步进驱动器也会失电，导致整个系统处于断电状态。

三、软件系统设计

　　20GM 模块的数据缓冲区有专门针对X 轴和Z 轴的字区域（BFM20 和BFM21，各16 位），其每一位都具有不同的功能特性，其示意图如图5 所示。其中，BFM20 用于设置同步2 轴和X 轴的运动方式，BFM21 用于设置Z 轴的运动方式。

图5 20GM 程序位设置格式 

　　我们需要编写相关的程序并从PLC 发送至20GM 的缓冲区中，具体程序流程图如图6 所示。首先要通过用户输入的按钮组合判断工作模式，从而产生两个分支，分别是两轴联动模式和单轴动作模式，后在不同的工作模式下开始加工。具体PLC 梯形图程序如图7 所示：

图6 程序流程图

图7 程序实例

　　其中当M8000 得电时，PLC 将K4M10 和K4M30 寄存器的数据（字长为16 位）传送到1 号单元（20GM）的特殊功能模块BFM20 和BFM21 中。然后通过X10 和X11控制两个联动轴的通与断，并通过X12 和X13 来控制数控机床的工作状态（单轴动作和两轴联动之间切换）。当机床处于两轴联动状态时，Y0 导通输出，并通过复位、正向以及反向控制其工作；当机床处于单轴动作状态时，Y1 和Y0 同时导通，此时Y1 会通过常闭触点KA1 断开Z 轴电机，从而使X 轴电机单独工作，在该状态下也可通过复位、正向以及反向控制工作。

　　当两轴联动工作设置完毕后，可打开主轴（即Y 轴）变频器控制开关，加工开始。

四、结论

　　本方案有如下特点：

　　① 控制方法简单：用户可以通过手动切换单轴动作和两轴联动，使用方便。

　　② 可移植性强：可将代码嵌入大型立体加工程序中，作为一个流程环节使用。

　　③ 扩展性强：通过PLC 中寄存器的设置以及硬件电路扩展，可将联动扩展到两轴半、三轴等更为复杂的场合中。综上所述，本方案具有一定的研究和实用价值，可广泛应用于船用零部件制造及其他机械加工领域。