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摘要：随着国内用工成本的上升，上游企业对质量的要求更严格，同时，国内很多机械加工行业面临着用工荒、用工难。数控机床的自动化发展就成为一种必然趋势。数控机床加装自动上下料机构实现单机自动化是自动化加工发展的初期阶段。做好自动化单机，是数控机床自动化的基础。
关键词：经济型 数控车床 自动上下料 控制
随着国内用工成本的上升，上游企业对质量的要求更严格，同时，国内很多机械加工行业面临着用工荒、用工难。由于中西部开发，很多人已经不乐意背井离乡出外打工，而且，80后90后作为用工主力，已经不乐意每天重复机械的劳动，这就导致了管理困难性和复杂性。如此一来，就迫使加工企业寻求采用自动化单机、自动化生产线等方式将劳动者从机械重复的简单劳动中解放出来，同时可以保证产品质量的一致性。数控机床的自动化发展就成为一种必然趋势。数控机床加装自动上下料机构实现单机自动化是自动化加工发展的初期阶段。做好自动化单机，是数控机床自动化的基础。本文讨论的自动上下料机构，为经济型自动上下料机构，不包含机器人。从成本角度讲，机器人并不适合于与经济型数控机床配合工作，也并不能被大部分的机加工企业所接受。
1 目前市面常见的经济型数控车床的自动上下料机构种类
1.1 振动盘选料、定方向，将工件排成特定的姿态，料槽输送工件到机床内部，气压驱动的导轨传递工件式；
1.2 振动盘选料、定方向，将工件排成特定姿态后，料槽式输送到机床内部，利用机床拖板运送工件式；
1.3 工件放置在托盘上，托盘分行运动，桁架式机械手抓取工件，利用机械手抓取托盘上的工件，将工件送到机床主轴上，并可以利用机械手将工件从主轴上取下。
当然还有其他种类，但基本类似，可以归入其中。其中振动盘有专业化厂家生产，一般采用外购机械本体和控制部件的方式，比较成熟，在此不讨论。
下面以第一种结构，即振动盘选料，定方向，料槽输送工件到机床内，气压驱动的导轨传递工件方式为例，分析控制系统的设计。
2 实例及结构构成，需要控制的运动数量和工作顺序简述
2.1 典型结构图
2.2 运动部件。推料气缸1，负责将料槽内的工件推入取料斗内。推料气缸2，负责当取料斗下降到主轴中心时，将工件推入主轴上的夹头内。升降气缸，负责拖动取料斗上下运动，将工件从料槽高度运送到主轴中心高度。主轴尾部的回转气缸，负责弹簧夹头的夹紧和松开动作。每个气缸的气管接头采用调速接头，便于调整运动速度。
2.3 运动部件的控制和检测。推料气缸1和2，两个气缸分别由2个4V210单电磁铁电磁阀控制，气缸活塞带磁环，每个气缸上有两个CS-1磁控开关检测极限位置。升降气缸为了调整方便，采用4V230的双电磁铁电磁阀控制。
回转气缸采用4V230双电磁铁电磁阀控制，因为行程只有2～3mm，检测开关精度有限，无法可靠检测，只利用压力开关PK-510检测工件夹紧后的气缸压力。
料空检测开关，用于检测料槽中是否有工件，采用接近开关PM12-04N型。
2.4 工作顺序。机构初始状态：升降气缸在上位，推料气缸1和2均为缩回状态，取料斗内无工件，主轴夹头上可以有工件，也可以没有。拖板在安全位置，气缸动作不会与机床干涉，此处需要调试者目测。
2.4.1 取料动作：升降气缸上位检测on，料空检测开关on，推料气缸1伸出，将工件推入取料斗内。检测到推料气缸1伸出位on后，延时T1秒，推料气缸1退回。检测到推料气缸1回退到位信号on，取料动作完成。如图所示的圆柱形工件，推料气缸1头部缩回后，工件即依靠重力顺序滚下，由料槽控制位置。
2.4.2 弹料动作：主轴上的回转气缸松开，将弹簧夹头松开，夹头内的工件由夹头内的弹簧杆弹出，延时T2秒后，弹料动作完成，工件掉落入特定的接料斗内。
2.4.3 上料动作：升降气缸下行，下行到位开关on后，延时T3秒，推料气缸2伸出，利用推料杆将工件推入主轴上的弹簧夹头内。推料气缸2伸出到位信号on，延时T4秒后，回转气缸夹紧，使主轴上的弹簧夹头夹紧工件，气缸压力提升后PK-510压力开关on，表示工件已夹紧。推料气缸2回退，回退到位开关on后，升降气缸上升，升降气缸上位检测开关on。上料动作完成。
2.4.4 机床加工，加工完成后从2.4.1循环工作。
3 控制系统设计
3.1 系统功能
3.1.1 应提供两种工作状态，即手动操控和自动运行两部分。并提供状态切换开关，对自动和手动两种工作状态进行转换。
3.1.2 提供急停功能，保证在任何时刻可以快速将机床及自动上下料机构停住，提供安全保证。
3.1.3 报警功能，提供机构运行的报警信息，便于查找运行中发生故障的部位，包括循环超时报警，料空报警，急停报警三种功能。经济型数控系统不可以修改内置的PLC控制程序，因为数控系统指令运行的顺序执行特点，无法实现循环超时报警的功能。此功能由PLC实现。料空报警由PLC在特定时间检测料空信号判断。急停报警由急停开关触发。电路设计时，急停开关选用两个常闭开关，一个触点连接到数控系统的X1.1引脚ESP信号上，另一个触点连接到PLC的X0输入点。达到按下急停开关机床和PLC同时停止工作的功能。
3.1.4 联机通讯功能，如系统中引入PLC控制，需要考虑二者之间的通讯协调。
3.1.5 是否引入PLC控制的分析：如果所有动作均由数控系统完成，因为数控系统读取和处理指令的顺序性特点，意味着所有动作只能串行操作。而根据实际情况，2.4.1的取料动作和2.4.2的弹料动作，是可以同步执行的。如果数控系统开启双通道，则意味着成本的急剧上升，一般会增加上万人民币的成本。利用一块简单的PLC，即可实现双通道控制，实现上料结构和数控机床的同步运行，节约宝贵的加工时间，是非常划算的。单件节约2秒，按照月产量二十万件计算，即可节约111小时，约合13个工作日。所以，引入PLC控制。 3.1.6 机床主轴工件夹紧由PLC控制还是机床本身控制的分析：一般的数控车床系统对于主轴自动夹紧和尾座自动顶紧功能与主轴的旋转具有互锁控制，即卡盘未夹紧或尾座未顶紧时，主轴不会启动，以保护机床和操作者，避免误操作造成的工件飞出的重大事故。所以在此选择工件夹紧的自动控制仍由机床数控系统操控，PLC不控制机床主轴的夹紧。
3.2 系统构成
3.2.1 数控系统：本机床为经济型数控车床，数控系统采用实惠可靠地广州数控GSK928TEa系统，该系统在业界装机量大，使用广泛。GSK928TEa车床数控系统，采用32位高性能工业级CPU构成控制核心，实现μm级精度运动控制，系统功能强，性能稳定，界面显示直观简明、操作方便。本系统在操作、安全、加工精度及加工效率方面具有突出特点，可与广州数控设备有限公司自主开发制造的交流伺服驱动装置（驱动单元、伺服电机）匹配使用，也可按客户需求配置其他的驱动装置。GSK928TEa系统标准配置具有M21、M23两个输出点，平床身数控车床一般匹配排刀架或者是四工位电动刀架，只需要使用系统中8个工位检测中的4个，即T0-T7中的T0-T3四个检测点，所以后面四个监测点可以引出，作为自动上下料机构使用。选用M21O（X1.28引脚）和M23O（X1.29引脚）作为两个输出点与PLC通信。M22指令用于取消M21O，M24指令用于取消M23O。输入点采用刀架信号T7（r006：X2.15引脚），T8（r007：X2.8引脚），详见数控系统说明书的P305页。
3.2.2 PLC的选择。①输入输出表（如上表）。其中Y6和Y7控制三色自动闪烁报警灯，Y10-Y20驱动发光二级管，用于在控制面板上显示各部件运动状态。根据输入输出表格，总共有16个输入点，17个输出点。选用无锡信捷XC2系列PLC，48点型。型号为XC2-48RC，继电器输出，DC24V电源，该型号有28点NPN输入，20点继电器输出。
②正常工作时的自动加工时序图：
3.3 控制部分电气原理图
3.3.1 数控系统中与自动上下料有关的电器部分原理图：
3.3.2 PLC控制的电气原理右图1。
3.3.3 中间控制电路原理图
3.4 气动原理图（见右图2）
3.5 数控程序和PLC控制程序
3.5.1 数控程序。下面给出数控程序中与PLC协同工作部分，其余按照数控系统说明书和加工工艺进行编制，不是本文重点，不予给出。
3.5.2 PLC控制程序
4 总结
数控机床的自动化加工是世界的一种趋势，数控机床增加自动上下料机构后，实现了自动化加工，一般由一个人操作两台机床可以扩展到一个人操作六到八台机床。大大节约了人力，将工人从机械重复的工作中解放出来。从效率上讲，一般上下料时间5秒左右，可以和人工操作媲美。从成本上讲，增加的投资仅相当于节省出来人工一年的工资费用。工人不再从事简单的重复劳动，减轻了工作强度，同时也大幅度减少工伤等情况的发生，节约了边际成本。所以，数控机床的自动化发展，具有多方面的优势。值得推广。
参考文献：
[1]陈冬冬，沈坤，刘一波，韩轶.椭圆和抛物线宏程序在数控车床上的应用[J].价值工程，2010（06）.
[2]杨林波.数控车床加工稳定性影响因素分析[J].价值工程，2010（34）.
[3]徐兴泰.在数控车床加工中刀具位置补偿的应用[J].价值工程，2010（35）.
关键词：经济型 数控车床 自动上下料 控制
随着国内用工成本的上升，上游企业对质量的要求更严格，同时，国内很多机械加工行业面临着用工荒、用工难。由于中西部开发，很多人已经不乐意背井离乡出外打工，而且，80后90后作为用工主力，已经不乐意每天重复机械的劳动，这就导致了管理困难性和复杂性。如此一来，就迫使加工企业寻求采用自动化单机、自动化生产线等方式将劳动者从机械重复的简单劳动中解放出来，同时可以保证产品质量的一致性。数控机床的自动化发展就成为一种必然趋势。数控机床加装自动上下料机构实现单机自动化是自动化加工发展的初期阶段。做好自动化单机，是数控机床自动化的基础。本文讨论的自动上下料机构，为经济型自动上下料机构，不包含机器人。从成本角度讲，机器人并不适合于与经济型数控机床配合工作，也并不能被大部分的机加工企业所接受。
1 目前市面常见的经济型数控车床的自动上下料机构种类
1.1 振动盘选料、定方向，将工件排成特定的姿态，料槽输送工件到机床内部，气压驱动的导轨传递工件式；
1.2 振动盘选料、定方向，将工件排成特定姿态后，料槽式输送到机床内部，利用机床拖板运送工件式；
1.3 工件放置在托盘上，托盘分行运动，桁架式机械手抓取工件，利用机械手抓取托盘上的工件，将工件送到机床主轴上，并可以利用机械手将工件从主轴上取下。
当然还有其他种类，但基本类似，可以归入其中。其中振动盘有专业化厂家生产，一般采用外购机械本体和控制部件的方式，比较成熟，在此不讨论。
下面以第一种结构，即振动盘选料，定方向，料槽输送工件到机床内，气压驱动的导轨传递工件方式为例，分析控制系统的设计。
2 实例及结构构成，需要控制的运动数量和工作顺序简述
2.1 典型结构图
2.2 运动部件。推料气缸1，负责将料槽内的工件推入取料斗内。推料气缸2，负责当取料斗下降到主轴中心时，将工件推入主轴上的夹头内。升降气缸，负责拖动取料斗上下运动，将工件从料槽高度运送到主轴中心高度。主轴尾部的回转气缸，负责弹簧夹头的夹紧和松开动作。每个气缸的气管接头采用调速接头，便于调整运动速度。
2.3 运动部件的控制和检测。推料气缸1和2，两个气缸分别由2个4V210单电磁铁电磁阀控制，气缸活塞带磁环，每个气缸上有两个CS-1磁控开关检测极限位置。升降气缸为了调整方便，采用4V230的双电磁铁电磁阀控制。
回转气缸采用4V230双电磁铁电磁阀控制，因为行程只有2～3mm，检测开关精度有限，无法可靠检测，只利用压力开关PK-510检测工件夹紧后的气缸压力。
料空检测开关，用于检测料槽中是否有工件，采用接近开关PM12-04N型。
2.4 工作顺序。机构初始状态：升降气缸在上位，推料气缸1和2均为缩回状态，取料斗内无工件，主轴夹头上可以有工件，也可以没有。拖板在安全位置，气缸动作不会与机床干涉，此处需要调试者目测。
2.4.1 取料动作：升降气缸上位检测on，料空检测开关on，推料气缸1伸出，将工件推入取料斗内。检测到推料气缸1伸出位on后，延时T1秒，推料气缸1退回。检测到推料气缸1回退到位信号on，取料动作完成。如图所示的圆柱形工件，推料气缸1头部缩回后，工件即依靠重力顺序滚下，由料槽控制位置。
2.4.2 弹料动作：主轴上的回转气缸松开，将弹簧夹头松开，夹头内的工件由夹头内的弹簧杆弹出，延时T2秒后，弹料动作完成，工件掉落入特定的接料斗内。
2.4.3 上料动作：升降气缸下行，下行到位开关on后，延时T3秒，推料气缸2伸出，利用推料杆将工件推入主轴上的弹簧夹头内。推料气缸2伸出到位信号on，延时T4秒后，回转气缸夹紧，使主轴上的弹簧夹头夹紧工件，气缸压力提升后PK-510压力开关on，表示工件已夹紧。推料气缸2回退，回退到位开关on后，升降气缸上升，升降气缸上位检测开关on。上料动作完成。
2.4.4 机床加工，加工完成后从2.4.1循环工作。
3 控制系统设计
3.1 系统功能
3.1.1 应提供两种工作状态，即手动操控和自动运行两部分。并提供状态切换开关，对自动和手动两种工作状态进行转换。
3.1.2 提供急停功能，保证在任何时刻可以快速将机床及自动上下料机构停住，提供安全保证。
3.1.3 报警功能，提供机构运行的报警信息，便于查找运行中发生故障的部位，包括循环超时报警，料空报警，急停报警三种功能。经济型数控系统不可以修改内置的PLC控制程序，因为数控系统指令运行的顺序执行特点，无法实现循环超时报警的功能。此功能由PLC实现。料空报警由PLC在特定时间检测料空信号判断。急停报警由急停开关触发。电路设计时，急停开关选用两个常闭开关，一个触点连接到数控系统的X1.1引脚ESP信号上，另一个触点连接到PLC的X0输入点。达到按下急停开关机床和PLC同时停止工作的功能。
3.1.4 联机通讯功能，如系统中引入PLC控制，需要考虑二者之间的通讯协调。
3.1.5 是否引入PLC控制的分析：如果所有动作均由数控系统完成，因为数控系统读取和处理指令的顺序性特点，意味着所有动作只能串行操作。而根据实际情况，2.4.1的取料动作和2.4.2的弹料动作，是可以同步执行的。如果数控系统开启双通道，则意味着成本的急剧上升，一般会增加上万人民币的成本。利用一块简单的PLC，即可实现双通道控制，实现上料结构和数控机床的同步运行，节约宝贵的加工时间，是非常划算的。单件节约2秒，按照月产量二十万件计算，即可节约111小时，约合13个工作日。所以，引入PLC控制。 3.1.6 机床主轴工件夹紧由PLC控制还是机床本身控制的分析：一般的数控车床系统对于主轴自动夹紧和尾座自动顶紧功能与主轴的旋转具有互锁控制，即卡盘未夹紧或尾座未顶紧时，主轴不会启动，以保护机床和操作者，避免误操作造成的工件飞出的重大事故。所以在此选择工件夹紧的自动控制仍由机床数控系统操控，PLC不控制机床主轴的夹紧。
3.2 系统构成
3.2.1 数控系统：本机床为经济型数控车床，数控系统采用实惠可靠地广州数控GSK928TEa系统，该系统在业界装机量大，使用广泛。GSK928TEa车床数控系统，采用32位高性能工业级CPU构成控制核心，实现μm级精度运动控制，系统功能强，性能稳定，界面显示直观简明、操作方便。本系统在操作、安全、加工精度及加工效率方面具有突出特点，可与广州数控设备有限公司自主开发制造的交流伺服驱动装置（驱动单元、伺服电机）匹配使用，也可按客户需求配置其他的驱动装置。GSK928TEa系统标准配置具有M21、M23两个输出点，平床身数控车床一般匹配排刀架或者是四工位电动刀架，只需要使用系统中8个工位检测中的4个，即T0-T7中的T0-T3四个检测点，所以后面四个监测点可以引出，作为自动上下料机构使用。选用M21O（X1.28引脚）和M23O（X1.29引脚）作为两个输出点与PLC通信。M22指令用于取消M21O，M24指令用于取消M23O。输入点采用刀架信号T7（r006：X2.15引脚），T8（r007：X2.8引脚），详见数控系统说明书的P305页。
3.2.2 PLC的选择。①输入输出表（如上表）。其中Y6和Y7控制三色自动闪烁报警灯，Y10-Y20驱动发光二级管，用于在控制面板上显示各部件运动状态。根据输入输出表格，总共有16个输入点，17个输出点。选用无锡信捷XC2系列PLC，48点型。型号为XC2-48RC，继电器输出，DC24V电源，该型号有28点NPN输入，20点继电器输出。
②正常工作时的自动加工时序图：
3.3 控制部分电气原理图
3.3.1 数控系统中与自动上下料有关的电器部分原理图：
3.3.2 PLC控制的电气原理右图1。
3.3.3 中间控制电路原理图
3.4 气动原理图（见右图2）
3.5 数控程序和PLC控制程序
3.5.1 数控程序。下面给出数控程序中与PLC协同工作部分，其余按照数控系统说明书和加工工艺进行编制，不是本文重点，不予给出。
3.5.2 PLC控制程序
4 总结
数控机床的自动化加工是世界的一种趋势，数控机床增加自动上下料机构后，实现了自动化加工，一般由一个人操作两台机床可以扩展到一个人操作六到八台机床。大大节约了人力，将工人从机械重复的工作中解放出来。从效率上讲，一般上下料时间5秒左右，可以和人工操作媲美。从成本上讲，增加的投资仅相当于节省出来人工一年的工资费用。工人不再从事简单的重复劳动，减轻了工作强度，同时也大幅度减少工伤等情况的发生，节约了边际成本。所以，数控机床的自动化发展，具有多方面的优势。值得推广。
参考文献：
[1]陈冬冬，沈坤，刘一波，韩轶.椭圆和抛物线宏程序在数控车床上的应用[J].价值工程，2010（06）.
[2]杨林波.数控车床加工稳定性影响因素分析[J].价值工程，2010（34）.
[3]徐兴泰.在数控车床加工中刀具位置补偿的应用[J].价值工程，2010（35）.