数控车床刀塔电气控制分析
摘要：本文通过对fanuc系统数控车床刀塔控制的研究，深入分析刀塔PLC控制程序、电气原理，为自动化专业教学及设备维修提供参考。
关键词：PLC 程序； 电气设计；数控刀塔；FANUC数控系统；控制
一、引言
山西永济电机高级技工学校有多台数控车床，是学生实习、员工培训经常使用的设备。数控车床为沈阳机床厂生产，设备型号为 CK6112，配置 FANUC0 数控系统，换刀采用PLC 控制的刀塔。刀塔是数控车床重要组成部分，此车床刀塔采用电气结合液压控制换刀，通过 PLC 对控制刀架的所有I/O信号进行逻辑处理及计算，实现刀塔的换刀控制。另外为了保证换刀能够正确进行，系统设置一些相应的系统参数来对换刀过程进行调整。
二、PLC及梯形图概念
PLC是机床换刀过程的控制中心，是实现顺利换刀的关键器件。可编程序控制器即 PLC 是 20 世纪 60 年代末发展起来的一种新型自动化控制装置。最早用于代替传统的继电器控制装置，功能上只有逻辑运算、定时、计数以及顺序控制等，而且只能进行开关量控制。近年来，PLC 把计算机技术、自动化技术和通信技术融为一体，发展成新型的工业控制器，其控制功能已远远超过逻辑控制的功能。
国际电工委员会（IEC）对PLC定义为：可编程序控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械设备和生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
梯形图简称 LAD，是 PLC 使用较多的图形编程语言，梯形图沿袭了继电器控制电路的形式，在常用的继电器与接触器逻辑控制基础上简化了符号演变而来，具有形象、直观、实用等特点，技术人员容易接受，目前运用较多。
在 PLC 梯形图中，左右母线类似于继电器电路的电源线，输出线圈类似于负载，输入点类似于按钮，梯形图由若干逻辑行构成，自上而下排列，每个逻辑行起于左边母线，经过触点与线圈，止于右母线。
三、刀塔电气控制
刀塔电气控制部分如图一所示。图中的a是刀塔控制的主回路部分，主要是控制刀塔电机的正转和反转，刀塔电机通过同步带联接来控制刀塔的正转和反转；图b是刀塔控制的交流控制回路，主要是控制两个交流接触器线圈的得电和失电来实现 a 中的主回路控制；图c部分是刀塔控制的继电器控制回路及 PLC 的输入及输出回路，整个过程的控制最终是由这三部分来完成的。
图一中各器件的作用如下：
Y0.5：刀塔反转继电器控制输出。
四、换刀的工作过程
根据电路回路图简析：假设 PLC 输入/输出电路中输入 1 号刀同时选择手动方式（JOG)选择。这时，按下手动换刀启动按钮SB6，KA3线圈得电，KA3常闭触点断开实现互锁。接触器回路中的 KA3 触点导通（KA1 始终处于闭合状态），KM5 线圈得电，KM5 常闭触点断开实现双重互锁。刀塔正转接触器回路导通，在主回路总的KM5触点闭合刀塔正转。当接近元件检测到 1 号刀的到位信号时，刀塔开始定位，电机停转，液压缸拉紧锁紧，锁紧信号检测到后，换刀结束。其他刀号换刀方式依次类推。具体换刀过程步骤如下：刀塔抬起：当数控系统发出换刀指令后, 刀塔通过电气控制电磁阀得电，电磁阀控制液压缸顶起刀塔，刀塔中心的鼠齿盘分离。
刀塔旋转：刀塔顶起检测的接近开关检测到刀塔顶起到位后，通过接口电路使电机正转, 经传动装置，刀塔电机旋转。
刀塔定位：当刀塔旋转到需要的刀号，对应刀号的接近开关给数控装置反馈换刀号到位检测指令，刀塔电机停止旋转。刀塔锁紧：刀塔电机停止在需要的刀号时，数控系统发出锁紧信号，电磁阀得电，刀塔向下拉紧，鼠齿盘结合，锁紧检测接近开关检测到锁紧到位后，换刀完成。
换到过程流程图
五、PLC换刀梯形图
刀塔换刀过程选刀部分梯形图
PLC控制数控车床的刀塔，主要是对刀塔的换刀进行自动控制。随着电气技术的飞速发展，PLC 控制提高了生产工艺，具有较高的稳定性和可靠性，较强的实时处理能力，使用简单维护方便。程序的编制充分考虑操作指令和现场信号，整个操作变得比较简单，机床工作的旋转、变挡、调速，进给、快速移动控制，相互的连锁保护和显示等功能均由PLC完成。
PLC 程序分析：
第一，手动换刀。 首先将操作面板模式选择打到手动（JOG）模式，刀号对应波段开关打至需要更换刀号位置，再按刀库手动换刀启动按键进行换刀 。 按下手动换刀信号X5.4,Y0.4输出，接通刀塔正转继电器。刀塔电机正转找刀。找到目标刀位后，刀塔电机继电器失电。电机停止转动，刀塔下降，锁紧，手动换刀结束。
第二，自动换刀。首先把模式选择打到手动资料输入（MDI)模式，在按下 MDI 单元程序功能键 PROG 输入所需的目标刀号（如：T0303），按功能键 EOB，接着按功能键 INSERT，最后按循环启动键，此时 F7.3导通，通过位置检测接近开关把当前刀位的信号通过数据传送指令和二进制转换指令转换为实际刀位号。当系统发出换刀指令T0303 时，F7.3 导通，当前刀位号会与目的寄存器的刀位号相比较，如果一致，程序跳转，换刀结束。如果刀位号不一致，刀架电机正转找刀，找到目标刀位后，刀塔下降，锁紧，刀塔锁紧后，整个换刀过程结束。
六、结束语
本次分析的这台数控车床的换刀过程，通过电机驱动，PLC 程序控制，刀架能快速的完成抬起、正转、选位、锁紧等一系列的动作，有效地实现了换刀。此换刀模式是目前主流的数控车床换刀形式。数控刀塔可以在保持原车床工件最大回转直径的条件下，提供选多把刀的可能性，且通用性好。刀塔的运行效率高，并稳定可靠。通过这次的分析研究，对FANUC系统有了更新的认识，对数控车床的专业知识的掌握程度及运用能力也有了更大的提高，同时也加深了数控专业知识的掌握程度。
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