1 引言
數(shù)控沖床主要是對各種板材如普通鋼板、不銹鋼及鋁板等進行冷壓成形或沖孔加工。廣泛應(yīng)用于汽車，航空航天，紡織機械，電氣和電子以及開關(guān)柜等行業(yè)。最近幾年,國內(nèi)鈑金加工設(shè)備需求出現(xiàn)新變化,數(shù)控鈑金加工設(shè)備呈迅速普及的態(tài)勢。數(shù)控沖床、數(shù)控折彎機、數(shù)控剪板機、數(shù)控激光切割機成為鈑金加工的新寵,而傳統(tǒng)的鈑金加工設(shè)備和工藝已很難滿足部分客戶對加工精度、成本、效率、交貨期等方面的需求。隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，各類數(shù)控機床的使用越來越普及，因此數(shù)控沖床具有很大的市場前景。
常規(guī)的CNC控制系統(tǒng)由運動控制器和內(nèi)裝式PLC組成，分別完成軌跡控制和順序控制。專用控制系統(tǒng)的缺點是互換性差，各個CNC生產(chǎn)廠家的控制系統(tǒng)在硬件上不能互換。根據(jù)控制技術(shù)趨同性的規(guī)律，PLC廠家推出了運動控制單元（MC），即以PLC為主控制器，由MC單元完成軌跡控制。
目前，很多品牌的PLC都有運動控制單元供選擇，如歐姆龍公司的MC421/221,臺達公司的PM系列高階運動控制型PLC,三菱Q系列運動控制器等等。
2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.1 數(shù)控沖床的工作過程：
系統(tǒng)上電后，按下啟動按鈕，系統(tǒng)工作。將工件放到指定位置，按下氣動夾緊開關(guān)，工件被氣動裝置夾緊。按下自動模式開關(guān)，系統(tǒng)按照指定的程序工作�？刂芚,Y方向的電機，將工作臺移動到指定位置。松定位轉(zhuǎn)盤的定位銷，后控制一個電機帶動轉(zhuǎn)盤，選擇所需的模具后插定位銷，將轉(zhuǎn)盤精確定位。接著控制另外一個電機，通過機械裝置帶動沖頭工作，沖出要求的孔。當(dāng)工作臺超出行程時，碰到限位開關(guān)，系統(tǒng)給出報警和指示燈閃爍。參照數(shù)控沖床的工作過程，主要的功能需求如表1所示：
表1 系統(tǒng)功能需求分析
2.2 系統(tǒng)硬件組成
CS系列可編程控制器采用模塊式結(jié)構(gòu)，可根據(jù)用戶的需要構(gòu)成不同的組合。本系統(tǒng)選用的模塊有：CPU底板（5槽）CS1W-BC052、CPU單元CS1GCPU44H、I/O輸入單元CS1W-ID211、I/O輸出單元CS1W-OD212、運動控制單元MC421。
參照表1系統(tǒng)功能需求分析，確定控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。
圖1 控制系統(tǒng)框架
2.3 I/O的分配
在CS1 CPU中，部分I/O存儲器分配給每個單元。根據(jù)分配方式，單元分為下列3組。見表2。
基本I/O單元組的分配：CPU機架上的基本I/O單元從左到右分配字（從離CPU單元最近的單元），分配字從CIO 0000開始。以字為單位給單元分配所需字的數(shù)目（16位）。
根據(jù)總的設(shè)計思路：I/O輸入單元的單元號為01，I/O輸出單元的單元號為02，則輸入I/O單元CIO 0000 00-16,輸出I/O單元CIO 0001 00-16。
按照功能表及相關(guān)設(shè)計，I/O分配表如表3所示。
2.4 運動控制單元簡介
運動控制單元（Motion ControlUnit，MC）是運動控制系統(tǒng)的核心部分，它通過接口從PLC接受命令（如啟動，停止等），然后執(zhí)行MC程序去控制伺服電機進行定位。
MC單元可以實現(xiàn)圓弧插補，用G語言編寫運動控制程序，輸出模擬量，進行高級，高速，高精度的位置控制，與伺服裝置之間構(gòu)成閉環(huán)控制。
本次設(shè)計采用歐姆龍公司的CS1系列PLC的MC421。該運動單元是CS1系列PLC的特殊功能單元。最多可以實現(xiàn)4軸（X，Y，Z和U）的伺服驅(qū)動。利用其中的X，Y軸來實現(xiàn)沖床工作平臺的運動，用Z軸來實現(xiàn)沖孔功能的實現(xiàn)。
3 控制部分軟件部分
根據(jù)工作過程，編制控制流程圖如圖2、圖3所示。
4 相關(guān)技術(shù)的解決
4.1 數(shù)控加工程序的傳遞
CX-Motion是運動控制單元的支持軟件，它在WINDOWS操作環(huán)境下運行。最近歐姆龍公司推出CX-ONE 軟件，其中包括CX-Motion。
如圖4所示，是CX-Motion軟件的界面。圖的右邊是MC單元G語言的編程界面。用戶可在其中編寫所需的數(shù)控沖床G代碼。
代碼編寫好后，可通過下載線將程序下載到MC單元中。
4.2 沖床選模功能實現(xiàn)
數(shù)控沖床選模功能的實現(xiàn)是基于MC單元的M指令。M指令中的信息用于在定位操作過程中和外圍設(shè)備聯(lián)鎖，外圍設(shè)備直接和CPU單元和MC單元的常規(guī)輸出相連。
本次設(shè)計的數(shù)控沖床有24個工位，每個工位上有不同的沖模。數(shù)控沖床在工作時，按照G代碼要求，自動選擇相應(yīng)的工位。
主要的設(shè)計思路：使用3個地址，一個存上次的工位號，如4。一個存本次的工位號，如13。還有一個存上次工位號與本次工位號差的絕對值。然后通過計算，得到值，來控制步進電機運動，從而使選模轉(zhuǎn)盤從4號工位移動到13號工位。
工位差獲得的具體流程如圖5如示,工位差值的絕對值最后放在數(shù)據(jù)存儲區(qū)D00502中。
設(shè)置M01-M24依次為24個工位選擇的指令。在獲得工位差的絕對值后，通過相關(guān)梯形圖判斷語句，利用G代碼中的M指令，選擇所要的模具工位。
注意點：為了避免誤操作，在使用數(shù)控沖床前，應(yīng)先校正數(shù)控沖床，使1號模具在工作位置上。因此在主梯形圖中要將模具1信號送給PLC，存儲數(shù)據(jù)，便于以后的正確選模。
4.3 模具定位的實現(xiàn)
模具定位的實現(xiàn)是基于MC單元的D代碼。D代碼是預(yù)先設(shè)置的在定位完成后輸出的代碼。D代碼（0-255）作為中斷任務(wù)號輸出到CPU單元中，以執(zhí)行CPU單元中的中斷任務(wù)。
當(dāng)執(zhí)行G語言到D05，將中斷任務(wù)號05輸出到CPU單元，以執(zhí)行CPU單元中的中斷任務(wù)。
中斷任務(wù)05的梯形圖如圖6所示。所示。進入中斷任務(wù)05，用一個SET 指令使控制定位銷的000100得電，從而完成松定位銷功能。
當(dāng)執(zhí)行G語言到D04，將中斷任務(wù)號04輸出到CPU單元，以執(zhí)行CPU單元中的中任務(wù)。
中斷任務(wù)04的梯形圖如圖7所示。進入中斷任務(wù)04，用一個RSET 指令使控制定位銷的000100失電，從而完成插定位銷功能。
4.4 主運動的控制
數(shù)控沖床的主運動為伺服電機通過機構(gòu)，帶動沖頭工作，沖頭工作的過程為沖下、提升兩個過程。使用MC單元的Z軸來實現(xiàn)沖孔功能。使用Z X指令，其中X為沖頭上下運動的距離，具體的數(shù)值通過機床機械結(jié)構(gòu)計算得到。
4.5 工作平臺運動的控制
工作平臺的運動控制為X,Y方向的移動。使用MC單元的X,Y軸來實現(xiàn)該功能。使用指令，類似于一般的數(shù)控機床編程，如G00 X0 Y10。即由MC單元執(zhí)行該指令，控制相應(yīng)的伺服電機，使工作臺運動到指定位置。
5 結(jié)論
本文介紹了一種基于PLC的數(shù)控沖床的控制系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)的解決。該數(shù)控系統(tǒng)具有經(jīng)濟性好，可靠性高等特點。經(jīng)過前期的試驗，能夠很好地滿足顧客的要求，具有很大的市場前景。
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本文標(biāo)題：基于PLC的數(shù)控沖床的控制系統(tǒng)研究
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