1 引言
数控冲床主要是对各种板材如普通钢板、不锈钢及铝板等进行冷压成形或冲孔加工。广泛应用于汽车，航空航天，纺织机械，电气和电子以及开关柜等行业。最近几年,国内钣金加工设备需求出现新变化,数控钣金加工设备呈迅速普及的态势。数控冲床、数控折弯机、数控剪板机、数控激光切割机成为钣金加工的新宠,而传统的钣金加工设备和工艺已很难满足部分客户对加工精度、成本、效率、交货期等方面的需求。随着我国经济的高速发展，各类数控机床的使用越来越普及，因此数控冲床具有很大的市场前景。
常规的CNC控制系统由运动控制器和内装式PLC组成，分别完成轨迹控制和顺序控制。专用控制系统的缺点是互换性差，各个CNC生产厂家的控制系统在硬件上不能互换。根据控制技术趋同性的规律，PLC厂家推出了运动控制单元（MC），即以PLC为主控制器，由MC单元完成轨迹控制。
目前，很多品牌的PLC都有运动控制单元供选择，如欧姆龙公司的MC421/221,台达公司的PM系列高阶运动控制型PLC,三菱Q系列运动控制器等等。
2 系统总体结构设计
2.1 数控冲床的工作过程：
系统上电后，按下启动按钮，系统工作。将工件放到指定位置，按下气动夹紧开关，工件被气动装置夹紧。按下自动模式开关，系统按照指定的程序工作。控制X,Y方向的电机，将工作台移动到指定位置。松定位转盘的定位销，后控制一个电机带动转盘，选择所需的模具后插定位销，将转盘精确定位。接着控制另外一个电机，通过机械装置带动冲头工作，冲出要求的孔。当工作台超出行程时，碰到限位开关，系统给出报警和指示灯闪烁。参照数控冲床的工作过程，主要的功能需求如表1所示：
表1 系统功能需求分析
2.2 系统硬件组成
CS系列可编程控制器采用模块式结构，可根据用户的需要构成不同的组合。本系统选用的模块有：CPU底板（5槽）CS1W-BC052、CPU单元CS1GCPU44H、I/O输入单元CS1W-ID211、I/O输出单元CS1W-OD212、运动控制单元MC421。
参照表1系统功能需求分析，确定控制系统结构组成如图1所示。
图1 控制系统框架
2.3 I/O的分配
在CS1 CPU中，部分I/O存储器分配给每个单元。根据分配方式，单元分为下列3组。见表2。
基本I/O单元组的分配：CPU机架上的基本I/O单元从左到右分配字（从离CPU单元最近的单元），分配字从CIO 0000开始。以字为单位给单元分配所需字的数目（16位）。
根据总的设计思路：I/O输入单元的单元号为01，I/O输出单元的单元号为02，则输入I/O单元CIO 0000 00-16,输出I/O单元CIO 0001 00-16。
按照功能表及相关设计，I/O分配表如表3所示。
2.4 运动控制单元简介
运动控制单元（Motion ControlUnit，MC）是运动控制系统的核心部分，它通过接口从PLC接受命令（如启动，停止等），然后执行MC程序去控制伺服电机进行定位。
MC单元可以实现圆弧插补，用G语言编写运动控制程序，输出模拟量，进行高级，高速，高精度的位置控制，与伺服装置之间构成闭环控制。
本次设计采用欧姆龙公司的CS1系列PLC的MC421。该运动单元是CS1系列PLC的特殊功能单元。最多可以实现4轴（X，Y，Z和U）的伺服驱动。利用其中的X，Y轴来实现冲床工作平台的运动，用Z轴来实现冲孔功能的实现。
3 控制部分软件部分
根据工作过程，编制控制流程图如图2、图3所示。
4 相关技术的解决
4.1 数控加工程序的传递
CX-Motion是运动控制单元的支持软件，它在WINDOWS操作环境下运行。最近欧姆龙公司推出CX-ONE 软件，其中包括CX-Motion。
如图4所示，是CX-Motion软件的界面。图的右边是MC单元G语言的编程界面。用户可在其中编写所需的数控冲床G代码。
代码编写好后，可通过下载线将程序下载到MC单元中。
4.2 冲床选模功能实现
数控冲床选模功能的实现是基于MC单元的M指令。M指令中的信息用于在定位操作过程中和外围设备联锁，外围设备直接和CPU单元和MC单元的常规输出相连。
本次设计的数控冲床有24个工位，每个工位上有不同的冲模。数控冲床在工作时，按照G代码要求，自动选择相应的工位。
主要的设计思路：使用3个地址，一个存上次的工位号，如4。一个存本次的工位号，如13。还有一个存上次工位号与本次工位号差的绝对值。然后通过计算，得到值，来控制步进电机运动，从而使选模转盘从4号工位移动到13号工位。
工位差获得的具体流程如图5如示,工位差值的绝对值最后放在数据存储区D00502中。
设置M01-M24依次为24个工位选择的指令。在获得工位差的绝对值后，通过相关梯形图判断语句，利用G代码中的M指令，选择所要的模具工位。
注意点：为了避免误操作，在使用数控冲床前，应先校正数控冲床，使1号模具在工作位置上。因此在主梯形图中要将模具1信号送给PLC，存储数据，便于以后的正确选模。
4.3 模具定位的实现
模具定位的实现是基于MC单元的D代码。D代码是预先设置的在定位完成后输出的代码。D代码（0-255）作为中断任务号输出到CPU单元中，以执行CPU单元中的中断任务。
当执行G语言到D05，将中断任务号05输出到CPU单元，以执行CPU单元中的中断任务。
中断任务05的梯形图如图6所示。所示。进入中断任务05，用一个SET 指令使控制定位销的000100得电，从而完成松定位销功能。
当执行G语言到D04，将中断任务号04输出到CPU单元，以执行CPU单元中的中任务。
中断任务04的梯形图如图7所示。进入中断任务04，用一个RSET 指令使控制定位销的000100失电，从而完成插定位销功能。
4.4 主运动的控制
数控冲床的主运动为伺服电机通过机构，带动冲头工作，冲头工作的过程为冲下、提升两个过程。使用MC单元的Z轴来实现冲孔功能。使用Z X指令，其中X为冲头上下运动的距离，具体的数值通过机床机械结构计算得到。
4.5 工作平台运动的控制
工作平台的运动控制为X,Y方向的移动。使用MC单元的X,Y轴来实现该功能。使用指令，类似于一般的数控机床编程，如G00 X0 Y10。即由MC单元执行该指令，控制相应的伺服电机，使工作台运动到指定位置。
5 结论
本文介绍了一种基于PLC的数控冲床的控制系统及其相关技术的解决。该数控系统具有经济性好，可靠性高等特点。经过前期的试验，能够很好地满足顾客要求，具有很大的市场前景。
(审核编辑: 沧海一土)
