摘要：设计了一套由西门子S7-300 PLC 在数控加工中心刀具库转位自动选择的方案，阐述了设计要求，并根据要求进行方案设计，确定了PLC 输入和输出的地址分配、接线控制等，最后设计出梯形图并进行实物调试，经调试该设计方案能满足设计要求。
关键词：S7-300; PLC; 数控加工中心; 刀具库
数控加工中心在加工工件时需要根据加工工艺的要求进行刀具库转位自动选择刀具。
由于数控加工中心在实际加工工件时多数采用任意转位自动选择刀具的方式，本文着重讨论
S7-300 PLC 在数控加工中心刀具库控制中，采用任意转位自动选择刀具的设计应用。
经在实际加工中应用该方案，能有效地实现刀具库换刀准确的自动选择，具有良好的加工效率和加工精度。
1 设计要求
刀具库选刀的原则是采用最近方向旋转，即根据程序指令把下一工序要用的刀具移到换刀位置时，都要向距换刀位置<180°的方向旋转，以减少换刀时间。
当选定刀具旋转到换刀位置时，刀具库转盘停止旋转，并由取放刀机械手进行换刀(图1)。
该设计中按钮SB0-SB7 分别为8 种供选择刀具的选择按钮;ST0-ST7 为各刀具旋转到位的行程开关，由霍尔元件构成;Q0.0-Q0.1 分别为到位指示灯和换刀指示灯;Q0.2-Q0.7 用来控制步进电机的驱动器。
2 硬件设计
根据设计方案要求，该数控加工中心刀具库转位控制选择需要16 个输入端和4 个输出端，在保证稳定的性能和以后升级改造需要的前提下，我们采用西门子公司的S7-300 CPU314C-2DP 和众为兴技术有限公司Q2-BYG403BM 二相步进驱动器进行控制设计。
CPU314C-2DP 是一个用于分布式结构的紧凑型CPU，内置24 个数字量输入(所有输入都可用作中断处理)和16 个数字量输出，以及4 个模拟量输入和2 个模拟量输出，足以满足该设计及以后升级改造的需求。
Q2-BYG403BM 二相步进驱动器，可驱动二相四、六、八线混合式42、56、85、86 系列步进电机。
在该方案中用来控制步进电机的转向及速度。
在给定工作方式正序换相通电，步进电机带动刀具库正转;按反序通电换相，则步进电机带动刀具库反转。
并且可根据调整PLC 发出的脉冲频率，对步进电机进行调速。
按照方案将PLC 的输入/输出口(表1)进行分配以及对数控加工中心刀具库转位选择进行接线设计(图2)。
3 软件设计
按设计方案要求，首先记录当前刀号和请求刀号，其次计算判断其旋转方向，最后执行如何旋转的顺序[3]，设计出的刀具库转位流程图如图3。
初始状态下，由PLC 记录当前刀具号;当按下按钮中的任意一个时，PLC 记录该请求刀具号，然后刀具库转盘按照距请求刀具<180°的方向旋转。
当请求刀具旋转到换刀位置时，到位指示灯发亮，机械手开始换刀，同时换刀指示灯闪烁。
5s 后换刀结束，换刀指示灯熄灭;要求在换刀过程中，其他换刀请求信号无效。
待换刀完毕，则PLC记录当前刀具号，等待下一次换刀请求。
采用西门子STEP7 软件并用梯形图方式进行刀具库转位编程如图4，，过程说明如下：
(1)当刀具处在换刀位置时，则该到位行程开关ST*闭合，并将其刀具号传至输出寄存器QW8 中，记录当前的刀具号。
当请求选择刀具时，将按下请求刀具选择按钮SB*，将请求刀具号传至输出寄存器QW2 中;与此同时，将寄存器M0.5 置位，使其它请求信号无效，直至刀具库转盘旋转动作完成后再将M0.5 复位。
(2)将当前值QW8 与请求值QW2 进行比较。
若两值相等，则刀具库转盘无动作，到位指示灯亮，且同时开始换刀动作;若当前值QW8 大于请求值QW2，则将两值直接相减，并将结果传至输出寄存器QW6; 若当前值QW8 小于请求值QW2，则将当前值QW8 加总刀数8 后再与请求值QW2 相减，并将结果传至输出寄存器QW6。
此时，再将输出寄存器QW6 的值与刀具总数的一半即4 进行比较，若大于等于4 则将M2.2 置位，控制驱动器使步进电机带动刀具库转盘反转; 若小于4 则将M2.4 置位，控制驱动器使步进电机带动刀具库转盘正转。
(3)待刀具旋转到位，此时换刀指示灯闪烁，进行换刀;5s 后将M0.5 复位，同时换刀指示灯熄灭，换刀结束。
4 结语
PLC 控制的数控加工中心刀具库自动选择的应用设计，适用于经济型数控加工中心和普通数控加工中心的改造。
采用该设计方案数控加工中心，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。
[参考文献]
[1] 李方园.西门子S7 系列PLC 电气控制精解[M].北京：化学工业出版社，2010.
[2] 胡健.西门子S7-300/400PLC 工程应用[M].北京：北京航空航天出版社，2008.
[3] 黄泽正，刘冲，陈志辉.加工中心自动换刀装置的设计[J].机械工程与自动化，2007(1)：124-125
[4] SIEMENS.SIMATIC S7-300 和M7-300 可编程序控制器模板规范参考手册[M].2001.
[5] SIEMENS.SIMATIC S7-300 和M7-300 梯形图(LAD)编程参考手册[M].2004。