0 前言
数控加工中心是具有刀库和自动换刀装置的高效自动化数控机床。在工件一次装夹后，可完成铣、钻、扩、镗及螺纹加工等多种工序的加工。它利用气动技术可完成工件的夹紧、刀具的交换、动力滑台的驱动与进给速度控制等作业。加工中心自动换刀装置大部分采用了气动换刀系统，由气压来控制气动机械手。
可编程控制器（PLC）是自动换刀系统的核心部分。目前，国内对自动换刀机构的控制多采用传统PLC（简称硬PLC）及单片机，如三菱FX2N 系列的PLC 控制、西门子S7-200 系列PLC、AT98C51 单片机。需要编写复杂的换刀PLC 程序，同时自动换刀系统性能的好坏直接影响加工效率的高低。
德国西门子公司的S7-300 有很强的模拟量处理能力和数字运算能力，用户程序容量达96KB，具有许多过去大型PLC 才有的功能，它的扫描速度为1000 条指令0.3ms,超过了许多大型PLC。S7-300 即使在恶劣的工业环境下仍然可正常工作。
本研究采用基于S7-300 的PLC 结合气动控制技术，实现了对数控加工中心气动换刀控制系统的改进，通过实践运行验证PLC 设计方案，达到提高数控加工中心的灵活性，缩短换刀时间，优化数控加工中心设备的加工性能，提高数控加工中心的工作效率和经济效益的目的。
1 数控加工中心的结构
图1 所示为立式加工中心示意图。它有盘式刀库4 和换刀机械手2，换刀机械手位于主轴和刀库之间，盘式刀库能储存16 把刀具。当需要换刀时，数控系统发出换刀指令，气动换刀系统在刀库中通过气动机械手自动进行刀具交换及选择，完成主轴松刀、夹刀等动作。其中定位气缸完成主轴的定位，刀具松夹气缸完成刀具和刀具的松开与夹紧，刀具插拔气缸完成主轴的插刀等任务。
图1 加工中心示意图
2.1 加工中心换刀系统工作过程
加工中心气动换刀系统的工作循环过程如下：
1)主轴停止转动→定位气缸A活塞杆伸出，主轴定位。图2 所示为某数控加工中心气动换刀系统原理图，该系统在换刀过程中实现主轴定位、主轴松刀、拔刀、向主轴锥孔吹气和插刀动作。
图2 数控加工中心气动换刀系统原理图
2)松夹气缸B→活塞杆伸出→松开刀具。同时，插拔气缸C→活塞下行→拔去刀具→通过回转刀库换刀。
3)主轴插刀锥孔吹气→延时→停止吹气→插拔气缸C→活塞退回，完成主轴插刀。
4)松夹气缸B→活塞退回→完成夹紧刀具。
5)定位气缸A→复位退回→完成更换刀具的动作。
2.2 加工中心气动换刀系统的工作原理
气动换刀系统原理图的工作原理如下：当需要换刀时，控制系统发出指令，主轴停止转动，电磁铁4YA 通电使换向阀4 换至右位，气体进入定位气缸A 的右腔，活塞杆伸出使主轴定位。定位后，压下行程开关，电磁铁6YA 通电使换向阀6 换至右位，气源通过换向阀6、快速排气阀8 进入松夹气缸B 的上腔，气缸的活塞下行，下腔通过快速排气阀7 排气。当增压腔油压升高时，增压活塞杆向外伸出松开刀具。同时，8YA 通电使换向阀9 换至右位，气源经换向阀9、单向节流阀11 的单向阀进入插拔气缸C 的上腔，插拔气缸C 的下腔经单向节流阀10、换向阀9 排气，插拔气缸C 活塞下行拔去刀具并通过回转刀库换刀。
注：“+”表示通电，“-”表断电，“( )”表示动作循序。
接着电磁铁1YA 通电使换向阀2 换至左位，气源经换向阀2、单向节流阀3 向主轴插刀锥孔吹气。延时后，电磁铁1YA 断电、2YA 通电停止吹气。同时8YA 断电、7YA 通电，换向阀9 切换至左位，插拔气缸C 的下腔进气、上腔排气，活塞退回，完成主轴插刀。
接着6YA 断电、5YA 通电，松夹气缸B 的下腔进气、上腔排气，活塞退回并完成夹紧刀具。
然后4YA 断电、3YA 通电，定位气缸A 在弹簧力作用下复位退回，完成更换刀具的动作。
3 S7-300 PLC设计方案
3.1 设计方法的选择
SIEMENS 公司的S7-300 的外形尺寸只有90mm×8mm×62mm,质量为270g,功耗仅为4W。体积小、质量轻，可装在控制柜内。该气动控制系统的输入信号为5 个点, 输出信号为8 个点, 因此本设计选用CPU315-2DP、IM360、SM323、DI16/DO16x24V/0.5A 型S7-300PLC。本研究按照工艺流程，在编写程序时采用顺序控制的方法。
3.2 PLC 的I/O 分配
3.3 PLC 接线图
PLC 接线图表示PLC 与现场器件的实际连接。在输入元件中, 按钮SB1、SB2，热继电器FR1、行程开关SQ1、压力继电KP 器这5 个点接入的是常开点；输出元件中1YA~8YA 电磁换向阀的线圈的额定电压为直流24V，因此输出电源选择为直流24V。
3.4 顺序功能图
顺序功能图表达了气动控制系统的工艺流程，每一步用方框表示。M10.0 为初始步，转换用相应的行程开关、压力继电器、时间继电器来实现。
图3 顺序功能图
4 结束语
自动换刀系统作为加工中心的重要组成部分。S7-300 PLC 有非常强大的逻辑处理功能，在工业控制领域具有广泛的应用空间。系统的成功应用证明使用该设计方案，可以提高数控加工中心的灵活性，能够缩短换刀时间，优化数控加工中心设备的加工性能，提高数控加工中心的工作效率和经济效益。
(审核编辑: 智汇胡妮)
