許多復雜外形的船用零部件（如曲軸、柴油機外殼）在制造過程中需要精加工，而單軸車床往往解決不了問題。數控加工中心（CNC）是由機械設備與數控系統組成的使用于加工復雜形狀工件的高效率自動化機床，它是高度機電一體化的產品。

　　本文以HJD-4 型五軸加工中心試驗機為科研平臺，該平臺以三菱PLC（型號FX2N-80MT）及其運動控制模塊20GM為核心，并配備繼電器、接觸器、開關按鈕等輔助器件。設聯動軸為加工中心的X 軸、Z 軸，由步進電機（型號57BYG250E）拖動，其驅動器型號是SH-20806C。

　　實驗機加工中心坐標系如圖1 所示，其中黃色箭頭方向是X 軸，紅色箭頭方向是主軸Y 軸，綠色箭頭方向是Z 軸，白色箭頭方向是刀庫T 軸，深藍色箭頭是轉臺C 軸。

圖1 五軸加工中心

一、系統框圖

　　控制方案系統圖如圖2 所示：

圖2 系統控制框圖

　　（1）上位機。由用戶通過PC 機在三菱FX2N-80MT 的PLC 專用軟件FXGPWIN 進行梯形圖程序的編寫，并通過232 通信線傳送給PLC。

　　（2）PLC。用戶可以通過手動按鈕或控制盒輸入開關量給PLC，通過計算后PLC 將產生驅動器電源開關信號，并通過運動控制模塊20GM 控制步進電機驅動器。然后，驅動器拖動數控機床的X 軸步進電機和Z 軸步進電機完成兩軸聯動。

　　（3）20GM。安裝時，與PLC 固定在同一金屬槽中，并通過內部扁平線纜和PLC 接口電路連接。在PLC 的作用下，它會向步進驅動器發出控制脈沖。用戶可以通過上位機中20GM 專用軟件FXVPS-E 對步進參數（如脈沖頻率、運動軌跡）等進行設置，并通過232 通信線進行傳輸。

　　（4）步進電機驅動器及步進電機。在接收到脈沖信號和方向信號后，通過連接絲桿完成拖動。

二、硬件設計

　　硬件部分包括輸入部分和輸出部分，見圖3 和圖4：

圖3 輸入部分

圖4 輸出部分

　　其中，PLC 的電源控制開關是QF1，它通過內部扁平編程電纜和運動控制模塊20GM 連接（如圖3 中較粗黑線）。PLC 的輸入按鈕包括機床啟動X10、機床停止X11、兩軸動作按鈕X12、單軸動作按鈕X13、正向X14、反向X15 以及復位X16 等多個項目，主要用于用戶輸入開關量；PLC 的輸出是Y0 觸點和Y1 觸點，其中Y0 通過繼電器KA0 的線圈連接到公共端COM，并通過KA0 觸點連接接觸器KM 線圈，由KM 的觸點和空氣開關QF2 一起控制X 軸和Z 軸步進電機驅動器的通斷。

　　Y1 觸點通過其常閉觸點Y1 控制Z 軸步進電機驅動器的通斷，從而使機床處于單軸動作狀態。

　　當線路連接完畢后，合上QF1，并將PLC 的狀態開關撥至“PROG”編程狀態，此時將梯形圖文件傳送至PLC。將20GM 的編程電纜也連接到上位PC 機上，并將20GM 的狀態開關撥至“MANU”手動狀態上。然后通過拍20GM 專用軟件 “FXVPS-E”將定位程序傳送至20GM。

　　將開關QF2 合上，并將PLC 的狀態開關撥至“RUN”狀態，將20GM 的狀態開關撥至“AUTO”狀態，PLC 的Y0 輸出從而使KM 主觸頭閉合，驅動器1 和驅動器2 得電。按下PLC 輸入端的“復位”按鈕后，X 軸和Z 軸將回到原位，整個系統處于歸零工作狀態。其中，HJD-4 試驗機已在原位設置了位置開關，用于系統硬件歸零。

　　若斷開開關QF1，PLC 將失電，從而步進驅動器也會失電，導致整個系統處于斷電狀態。

三、軟件系統設計

　　20GM 模塊的數據緩沖區有專門針對X 軸和Z 軸的字區域（BFM20 和BFM21，各16 位），其每一位都具有不同的功能特性，其示意圖如圖5 所示。其中，BFM20 用于設置同步2 軸和X 軸的運動方式，BFM21 用于設置Z 軸的運動方式。

圖5 20GM 程序位設置格式

　　我們需要編寫相關的程序并從PLC 發送至20GM 的緩沖區中，具體程序流程圖如圖6 所示。首先要通過用戶輸入的按鈕組合判斷工作模式，從而產生兩個分支，分別是兩軸聯動模式和單軸動作模式，后在不同的工作模式下開始加工。具體PLC 梯形圖程序如圖7 所示：

圖6 程序流程圖

圖7 程序實例

　　其中當M8000 得電時，PLC 將K4M10 和K4M30 寄存器的數據（字長為16 位）傳送到1 號單元（20GM）的特殊功能模塊BFM20 和BFM21 中。然后通過X10 和X11控制兩個聯動軸的通與斷，并通過X12 和X13 來控制數控機床的工作狀態（單軸動作和兩軸聯動之間切換）。當機床處于兩軸聯動狀態時，Y0 導通輸出，并通過復位、正向以及反向控制其工作；當機床處于單軸動作狀態時，Y1 和Y0 同時導通，此時Y1 會通過常閉觸點KA1 斷開Z 軸電機，從而使X 軸電機單獨工作，在該狀態下也可通過復位、正向以及反向控制工作。

　　當兩軸聯動工作設置完畢后，可打開主軸（即Y 軸）變頻器控制開關，加工開始。

四、結論

　　本方案有如下特點：

　　① 控制方法簡單：用戶可以通過手動切換單軸動作和兩軸聯動，使用方便。

　　② 可移植性強：可將代碼嵌入大型立體加工程序中，作為一個流程環節使用。

　　③ 擴展性強：通過PLC 中寄存器的設置以及硬件電路擴展，可將聯動擴展到兩軸半、三軸等更為復雜的場合中。綜上所述，本方案具有一定的研究和實用價值，可廣泛應用于船用零部件制造及其他機械加工領域。