1 引言
數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。廣泛應用于汽車，航空航天，紡織機械，電氣和電子以及開關柜等行業。最近幾年,國內鈑金加工設備需求出現新變化,數控鈑金加工設備呈迅速普及的態勢。數控沖床、數控折彎機、數控剪板機、數控激光切割機成為鈑金加工的新寵,而傳統的鈑金加工設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。隨著我國經濟的高速發展，各類數控機床的使用越來越普及，因此數控沖床具有很大的市場前景。
常規的CNC控制系統由運動控制器和內裝式PLC組成，分別完成軌跡控制和順序控制。專用控制系統的缺點是互換性差，各個CNC生產廠家的控制系統在硬件上不能互換。根據控制技術趨同性的規律，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 系統總體結構設計
2.1 數控沖床的工作過程：
系統上電后，按下啟動按鈕，系統工作。將工件放到指定位置，按下氣動夾緊開關，工件被氣動裝置夾緊。按下自動模式開關，系統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。松定位轉盤的定位銷，后控制一個電機帶動轉盤，選擇所需的模具后插定位銷，將轉盤精確定位。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。當工作臺超出行程時，碰到限位開關，系統給出報警和指示燈閃爍。參照數控沖床的工作過程，主要的功能需求如表1所示：
表1 系統功能需求分析
2.2 系統硬件組成
CS系列可編程控制器采用模塊式結構，可根據用戶的需要構成不同的組合。本系統選用的模塊有：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系統功能需求分析，確定控制系統結構組成如圖1所示。
圖1 控制系統框架
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目（16位）。
根據總的設計思路：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。
按照功能表及相關設計，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），然后執行MC程序去控制伺服電機進行定位。
MC單元可以實現圓弧插補，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，與伺服裝置之間構成閉環控制。
本次設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4軸（X，Y，Z和U）的伺服驅動。利用其中的X，Y軸來實現沖床工作平臺的運動，用Z軸來實現沖孔功能的實現。
3 控制部分軟件部分
根據工作過程，編制控制流程圖如圖2、圖3所示。
4 相關技術的解決
4.1 數控加工程序的傳遞
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
數控沖床選模功能的實現是基于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備聯鎖，外圍設備直接和CPU單元和MC單元的常規輸出相連。
本次設計的數控沖床有24個工位，每個工位上有不同的沖模。數控沖床在工作時，按照G代碼要求，自動選擇相應的工位。
主要的設計思路：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據存儲區D00502中。
設置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，在使用數控沖床前，應先校正數控沖床，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，存儲數據，便于以后的正確選模。
4.3 模具定位的實現
模具定位的實現是基于MC單元的D代碼。D代碼是預先設置的在定位完成后輸出的代碼。D代碼（0-255）作為中斷任務號輸出到CPU單元中，以執行CPU單元中的中斷任務。
當執行G語言到D05，將中斷任務號05輸出到CPU單元，以執行CPU單元中的中斷任務。
中斷任務05的梯形圖如圖6所示。所示。進入中斷任務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。
當執行G語言到D04，將中斷任務號04輸出到CPU單元，以執行CPU單元中的中任務。
中斷任務04的梯形圖如圖7所示。進入中斷任務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
數控沖床的主運動為伺服電機通過機構，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，具體的數值通過機床機械結構計算得到。
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軸來實現該功能。使用指令，類似于一般的數控機床編程，如G00 X0 Y10。即由MC單元執行該指令，控制相應的伺服電機，使工作臺運動到指定位置。
5 結論
本文介紹了一種基于PLC的數控沖床的控制系統及其相關技術的解決。該數控系統具有經濟性好，可靠性高等特點。經過前期的試驗，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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本文標題：基于PLC的數控沖床的控制系統研究
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