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        基于802D的盤式刀庫自動換刀控制

        2013-10-14 11:01:10王賀偉韓軍馮虎田
        機(jī)械制造與自動化 2013年4期
        關(guān)鍵詞:程序

        王賀偉,韓軍,馮虎田

        (南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇南京 210094)

        0 引言

        自動換刀系統(tǒng)主要是將加工所需刀具,從刀庫中傳送到主軸夾持機(jī)構(gòu)上,由刀庫、機(jī)械手、驅(qū)動系統(tǒng)等構(gòu)成。配備自動換刀系統(tǒng)后一次裝夾后能完成多次工序加工,能夠縮短非切削時間、降低生產(chǎn)成本,同時減少多次安裝造成的定位誤差,提高加工精度[1]。

        自動換刀系統(tǒng)是加工中心關(guān)鍵功能部件之一,其性能直接影響到機(jī)床的加工精度和加工效率。自動換刀系統(tǒng)配備的刀庫形式多種多樣,常用的有盤式和鏈?zhǔn)絻煞N。作為應(yīng)該最廣泛的一種刀庫形式,現(xiàn)針對盤式刀庫進(jìn)行自動換刀系統(tǒng)控制程序的設(shè)計。

        1 盤式刀庫自動換刀結(jié)構(gòu)及換刀動作分析

        本課題所用盤式刀庫主要由模擬主軸、刀庫電動機(jī)、凸輪機(jī)構(gòu)、機(jī)械手推動氣缸、裝刀機(jī)械手以及定位插銷組成。盤式刀庫如圖1所示。

        刀庫由交流電動機(jī)驅(qū)動刀盤的正反轉(zhuǎn),刀庫到位后定位插銷伸出,由氣缸推動裝刀機(jī)械手上升向主軸裝刀,主軸的上下左右移動已經(jīng)松刀拉刀動作則由液壓驅(qū)動。當(dāng)前大多數(shù)盤式刀庫的選刀需要刀庫向主軸移動,而本課題用刀庫是主軸向刀庫移動,由于主軸較刀庫的運(yùn)動慣量小很多,因而可以提供換刀精度。刀庫到位后,由氣缸推動機(jī)械手上升來完成插刀拔刀動作。

        圖1 盤式刀庫

        盤式刀庫選用刀套編碼方式,換刀時刀庫旋轉(zhuǎn),在刀庫的當(dāng)前刀位處裝有刀位信號開關(guān),刀庫旋轉(zhuǎn)經(jīng)過時,會產(chǎn)生一個脈沖信號到PLC,來確定是否到達(dá)目的位置[2]。由于采用刀套編碼方式,每把刀具只能放在固定的刀套中[3],盤式刀庫的自動換刀實(shí)際由兩個基本動作合成:還刀和取刀。還刀為把主軸上的刀具還到刀庫相應(yīng)的刀位上;取刀為主軸上無刀,根據(jù)目標(biāo)刀具的編碼,在刀庫中找到這把刀,然后安裝到主軸上。因此盤式刀庫的自動換刀程序可分解為還刀子程序和取刀子程序。自動換刀開始后先判斷主軸上是否有刀具,若無刀則先調(diào)用就近選刀子程序使目標(biāo)刀具以最短距離移動到換刀位置,然后調(diào)用取刀子程序?qū)⒌毒哐b載到主軸上;若主軸已有刀,則先調(diào)用就近選刀子程序和還刀子程序?qū)⒅鬏S刀具還到刀庫目標(biāo)位置,然后在將目標(biāo)刀具取到主軸上。盤式刀庫自動換刀的還刀和取刀子程序流程如圖2和圖3。

        2 自動換刀控制程序設(shè)計

        2.1 PLC輸入輸出定義

        在設(shè)計PLC程序之前,必須先定義好PLC的輸入輸出信號。

        在設(shè)計中,定義10.0為急停按鈕,以保證發(fā)生緊急情況時能夠快速按下此按鈕進(jìn)行保護(hù)。11.1為主軸有無刀具判斷信號,等于1時主軸有刀。在刀庫上設(shè)有刀具計數(shù)開關(guān),刀庫每轉(zhuǎn)過一個刀位,開關(guān)產(chǎn)生一個脈沖信號,將此脈沖信號輸入PLC以判斷刀庫當(dāng)前刀位。刀庫換刀時,每一個動作完成是下一個動作啟動的必要條件[4]。為了保證動作的正確完成,必須選用可靠的傳感器,如主軸松刀緊刀位置檢測開關(guān),x軸和z軸的換刀點(diǎn)檢測開關(guān)等。將這些傳感器的檢測信號作為PLC的輸入來判斷是否執(zhí)行下步動作。

        換刀時,需要判斷刀庫應(yīng)該正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn),以實(shí)現(xiàn)就近選刀,減少換刀時間。為了保證換刀的效率和精確性,刀庫還需要能夠快速轉(zhuǎn)動和慢速轉(zhuǎn)動[5]。選刀時,當(dāng)目標(biāo)刀位和當(dāng)前刀位相差1個以上刀位時,刀庫快轉(zhuǎn);相差1個刀位時,刀庫開始慢速轉(zhuǎn)動,以保證刀庫精確到位。

        刀庫采用西門子802D數(shù)控系統(tǒng)控制,內(nèi)含S7-200 PLC,并且配備有一輸入輸出模塊PP72/48。表1中列出了刀庫運(yùn)轉(zhuǎn)所必須的輸入輸出點(diǎn)。

        表1 刀庫PLC輸入輸出分配表

        2.2 刀庫就近選刀子程序

        為了減少換刀時間,需要實(shí)現(xiàn)刀庫就近選刀,使每次刀庫的旋轉(zhuǎn)角度都小于180°。一般根據(jù)目標(biāo)刀號Pnum和當(dāng)前刀號 Pcurr之差 Difference來判斷刀庫的旋轉(zhuǎn)方向[6]。

        刀庫正轉(zhuǎn)選刀的條件:

        Difference>0且Difference>=Tmax/2或者Difference<0且Difference>-Tmax/2

        刀庫反轉(zhuǎn)選刀的條件:

        Difference>0且Difference<=Tmax/2或者Difference<0且Difference<-Tmax/2

        在PLC程序中,首先讀入目標(biāo)刀位和當(dāng)前刀位,然后利用PLC的移位指令、數(shù)據(jù)加減指令和比較指令等,根據(jù)上述的刀庫正反轉(zhuǎn)判斷條件來做出判斷,使刀庫旋轉(zhuǎn)標(biāo)志位置1或置0,進(jìn)而驅(qū)動繼電器實(shí)現(xiàn)刀庫電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

        由于802D數(shù)控系統(tǒng)中自帶的有就近選刀子程序,編程時可以直接調(diào)用,此處就不在重復(fù)編寫。此子程序的調(diào)用如圖4所示。

        圖4 就近選刀子程序調(diào)用

        圖4中,輸出P_IND為預(yù)停刀位(在就近選刀方向上,目標(biāo)刀位的前一個刀位),DIR為BOOL變量,等于1時刀庫正轉(zhuǎn),等于0時反轉(zhuǎn)。VD10,VD20,VD30,VD40和V100.0為全局變量地址,分別存儲刀庫最大刀位、目標(biāo)刀位、當(dāng)前刀位、預(yù)停刀位和刀庫旋轉(zhuǎn)標(biāo)志位。

        2.3刷新當(dāng)前刀號子程序

        在刀庫選擇過程中,還需要根據(jù)刀具計數(shù)信號不斷更新當(dāng)前刀具刀號,直到目標(biāo)刀具號等于預(yù)停刀位,刀庫由快速轉(zhuǎn)動變?yōu)槁俎D(zhuǎn)動,等到目標(biāo)刀號等于當(dāng)前刀號,刀庫停止轉(zhuǎn)動,開始下步換刀動作。

        隨著刀庫的旋轉(zhuǎn),刀庫的當(dāng)前刀號會不斷變化,每轉(zhuǎn)過一個刀位,刀庫的當(dāng)前刀號會加1或減1。當(dāng)?shù)稁煺D(zhuǎn)時,當(dāng)前刀號減1,當(dāng)減到0時,當(dāng)前刀號存儲器重新賦值為刀庫最大刀位數(shù);當(dāng)?shù)稁旆崔D(zhuǎn)時,當(dāng)前刀號加1,當(dāng)加到超過最大刀位數(shù)時,當(dāng)前刀號存儲器重新賦值為1。表2為刷新當(dāng)前刀號子程序的局部變量表。圖4、圖5為刷新當(dāng)前刀號子程序的具體程序段,圖6為對該子程序的調(diào)用。

        表2 刷新當(dāng)前刀號子程序局部變量表

        3 結(jié)語

        PLC有很好的邏輯處理功能,通常讓PLC和數(shù)控系統(tǒng)配合使用,共同控制換刀過程的實(shí)現(xiàn)。針對本課題專用的盤式刀庫,分析了該刀庫的自動換刀流程,設(shè)計了完整的PLC自動換刀程序。該程序能很好的完成刀庫換刀的控制,提高了刀庫換刀的靈活性和可靠性、減少了換刀時間和提供換刀效率。

        [1]王剛.數(shù)控機(jī)床調(diào)試、使用與維護(hù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

        [2]咸博.圓盤式刀庫機(jī)械手自動換刀系統(tǒng)可靠性試驗臺研究[D].長春:吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文,2011(5).

        [3]牛軍燕,顧寄南.基于PLC的自動換刀系統(tǒng)研究[J].制造業(yè)自動化,2010(6).

        [4]海心,馬銀忠,等.西門子PLC開發(fā)入門與典型案例[M].北京:人民郵電出版社,2009.

        [5]董鋒,等.加工中心盤式刀庫自動換刀控制系統(tǒng)設(shè)計[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2011(5).

        [6]冉雪蓮.基于802DSL數(shù)控系統(tǒng)斗笠式刀庫自動換刀程序設(shè)計[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2012(3).

        [7]楊后川,等.西門子S7-200 PLC編程速學(xué)與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010.

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