張躍明，孫 慶，楊伯金

（北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124）

0 引言

刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置作為加工中心的重要組成部分，可使工件在一次裝夾后完成多工序加工，可有效降低因多次裝夾工件引起的誤差[1]。當(dāng)加工過程中需要更換儲(chǔ)存在刀庫(kù)中的刀具時(shí)，自動(dòng)換刀系統(tǒng)將目標(biāo)刀具與主軸上的刀具進(jìn)行更換。在換刀過程中，各機(jī)構(gòu)必須嚴(yán)格按照邏輯順序進(jìn)行動(dòng)作，避免發(fā)生故障。本系統(tǒng)是在內(nèi)蒙古呼和浩特眾環(huán)公司生產(chǎn)的BT50-32L型鏈?zhǔn)降稁?kù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)的，介紹對(duì)自動(dòng)換刀系統(tǒng)的換刀動(dòng)作時(shí)序分析、硬件選型和PLC程序編寫的研究，設(shè)計(jì)完成了以PLC為控制核心的自動(dòng)換刀系統(tǒng)。

1 自動(dòng)換刀系統(tǒng)總體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于編程軟件操作簡(jiǎn)單并根據(jù)輸入輸出I/O點(diǎn)數(shù)和控制功能的選擇,此自動(dòng)換刀系統(tǒng)選用三菱FX1N-40MT型PLC。本系統(tǒng)其他主要元器件有：伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、凸輪機(jī)構(gòu)、變頻器、ATC電機(jī)、機(jī)械手、氣泵、氣缸和電磁閥等，主要完成的動(dòng)作有：PLC向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出脈沖信號(hào)，控制伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)，通過圓柱分度凸輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)鏈?zhǔn)降稁?kù)運(yùn)動(dòng)，完成選刀動(dòng)作；PLC控制繼電器的通斷繼而控制電磁閥工作，使氣缸活塞帶動(dòng)刀套運(yùn)動(dòng)，完成刀套翻轉(zhuǎn)動(dòng)作；PLC控制變頻器使ATC電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)機(jī)械手完成換刀動(dòng)作。自動(dòng)換刀系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自動(dòng)換刀系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 自動(dòng)換刀系統(tǒng)邏輯順序控制分析

2.1 換刀過程動(dòng)作時(shí)序

整個(gè)換刀過程必須嚴(yán)格按照特定的次序進(jìn)行，主要由刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)、刀套翻轉(zhuǎn)和機(jī)械手旋轉(zhuǎn)三部分動(dòng)作組成。如果次序一旦出錯(cuò)，各機(jī)構(gòu)之間會(huì)發(fā)生干涉，造成不良后果，甚至機(jī)器損壞[2]，故本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了鏈?zhǔn)降稁?kù)換刀過程的動(dòng)作時(shí)序圖如圖2所示。

圖2 換刀過程動(dòng)作時(shí)序圖

1）按下開始按鈕，在控制面板中輸入目標(biāo)刀號(hào)，控制系統(tǒng)發(fā)出換刀指令1，PLC執(zhí)行就近換刀程序，向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送脈沖信號(hào)，控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；

2）目標(biāo)刀具到達(dá)換刀位置，伺服電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。刀庫(kù)計(jì)數(shù)值與刀位移動(dòng)值對(duì)比，若數(shù)值相同則執(zhí)行下一步，否則報(bào)錯(cuò)；

3）PLC發(fā)出刀套垂直指令3，水平電磁閥開關(guān)斷開，氣缸活塞桿通過與其相連的連桿和撥叉構(gòu)件直接控制水平刀套翻轉(zhuǎn)[3]，當(dāng)檢測(cè)到垂直磁性開關(guān)信號(hào)4時(shí)，刀套翻轉(zhuǎn)動(dòng)作完成；

4）PLC向變頻器發(fā)出指令5，變頻器控制ATC電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，換刀機(jī)械手開始順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；

5）當(dāng)PLC檢測(cè)到換刀機(jī)械手剎車反饋信號(hào)6時(shí)，ATC電機(jī)暫時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械手開始抓刀，接收到抓刀信號(hào)7斷開，同時(shí)主軸松刀[4]；

6）PLC發(fā)出旋轉(zhuǎn)換刀指令8，換刀機(jī)械手逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°，檢測(cè)到剎車信號(hào)9時(shí)，ATC電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，換刀機(jī)械手開始插刀，

當(dāng)PLC檢測(cè)到插刀信號(hào)10時(shí)，主軸拉刀；

7）PLC發(fā)出原點(diǎn)指令11，機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)PLC檢測(cè)到機(jī)械手原點(diǎn)復(fù)位信號(hào)13時(shí)，PLC發(fā)出刀套水平指令14，氣缸活塞桿運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)刀套翻轉(zhuǎn)至水平位置，整個(gè)換刀過程完成。

2.2 就近換刀邏輯順序設(shè)計(jì)

自動(dòng)換刀時(shí)間是衡量加工中心工作效率的一項(xiàng)重要指標(biāo)。本系統(tǒng)為了節(jié)約換刀時(shí)間，設(shè)計(jì)了刀盤就近換刀程序：采用編碼的方式將刀盤中的32把刀進(jìn)行號(hào)碼編排，然后放入32個(gè)刀套中，再對(duì)刀套進(jìn)行編碼，刀具與刀套存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)需要更換目標(biāo)刀具b時(shí)，PLC通過邏輯運(yùn)算與當(dāng)前刀具a進(jìn)行比較，算出最短路程。具體如圖3所示。

圖3 就近選刀邏輯順序圖

3 自動(dòng)換刀系統(tǒng)硬件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

3.1 伺服刀庫(kù)硬件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)選刀過程中，伺服驅(qū)動(dòng)器接收到PLC發(fā)出的脈沖控制信號(hào)，控制伺服電機(jī)帶動(dòng)分度凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)分度盤轉(zhuǎn)動(dòng)，完成選刀過程。由于伺服系統(tǒng)中的伺服電機(jī)自帶編碼器，因此可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，更加準(zhǔn)確的完成選刀過程。根據(jù)分度盤最大轉(zhuǎn)速Vmax=30m/min，齒輪傳動(dòng)比及減速器減速比計(jì)算可得：伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速為1433r/min，電機(jī)最大功率1.12kw。綜上，本系統(tǒng)選用安川SGMGV-13ADC61型伺服電機(jī)，安川SGDV-120A01A型伺服驅(qū)動(dòng)器。伺服刀庫(kù)電路設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

圖4 伺服刀庫(kù)電路設(shè)計(jì)圖

此伺服驅(qū)動(dòng)器采用位置控制模式，其中LF1為電源噪聲濾波器，避免三相電源中的高次諧波和噪聲干擾[5]。CN1部分與PLC相連，但為保證輸入電流在7mA～15mA之間，PULSE、SIGN和CLR端口應(yīng)個(gè)串聯(lián)一個(gè)2.2kΩ的上拉電阻，CN2部分與伺服電機(jī)的編碼器相連，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

3.2 換刀機(jī)械手硬件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

換刀機(jī)械手是加工中心實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀動(dòng)作的重要操作部件，其作用是將目標(biāo)刀具與當(dāng)前刀具進(jìn)行互換。根據(jù)機(jī)械手特定的工作任務(wù)，必須要求作為其驅(qū)動(dòng)裝置的交流電機(jī)具有啟動(dòng)平穩(wěn)、制動(dòng)快速和可以調(diào)速的功能。因此本系統(tǒng)選用FR-D720S-1.5K-CHT變頻器，使其驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械手完成換刀動(dòng)作。變頻器電路設(shè)計(jì)圖如圖5所示。

圖5 變頻器電路設(shè)計(jì)圖

其中L1、L2、L3為電源輸入端，U、V、W為輸出端，控制交流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。STF、STR為電機(jī)轉(zhuǎn)向控制端；RH、RM為電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)端。PLC通過繼電器與控制端相連，通過控制繼電器的通斷控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。

4 PLC程序設(shè)計(jì)

因選用三菱FX1N-40MT型PLC，故本系統(tǒng)采用GXDeveloperPLC編程軟件，支持FX系列PLC梯形圖、指令表、SFC等的編輯。該軟件具有梯形圖邏輯測(cè)試功能，可以不需要與PLC進(jìn)行連接，便完成在線模擬測(cè)試[6]。通過梯形圖程序，操作簡(jiǎn)單、容易理解。首先，進(jìn)行程序初始化，即將程序中的一些重要參數(shù)恢復(fù)初始值。

就近選刀程序在本系統(tǒng)程序中占有重要地位。首先對(duì)當(dāng)前刀套號(hào)碼D130和選用刀套號(hào)碼D131進(jìn)行比較，將結(jié)果放入輔助繼電器M20中，然后將D130與D131的差值與16進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果，PLC做出相應(yīng)的判斷，發(fā)出使電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)命令。

圖6 PLC梯形圖

PLC接收到相應(yīng)的位置反饋信號(hào)后，繼續(xù)執(zhí)行下一條程序，保證自動(dòng)換刀系統(tǒng)有條不紊地工作，有利地提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了自動(dòng)換刀系統(tǒng)選刀換刀過程、硬件選型和軟件設(shè)計(jì)。通過PLC編寫就近選刀程序，完成伺服刀庫(kù)選刀，通過控制變頻器達(dá)到機(jī)械手在換刀過程中的轉(zhuǎn)向、調(diào)速功能，為加工中心在生產(chǎn)加工過程中大大節(jié)約了時(shí)間成本。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，用PLC梯形圖編寫自動(dòng)換刀程序，不僅簡(jiǎn)單易懂，而且很大程度上提高了系統(tǒng)整體穩(wěn)定性?；赑LC設(shè)計(jì)的自動(dòng)換刀系統(tǒng)能夠較好地滿足數(shù)控加工中心對(duì)自動(dòng)換刀裝置的要求。

[1] 林艷華.機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2010,(4)：101-102.

[2] 官文.鏈?zhǔn)降稁?kù)及自動(dòng)換刀裝置的控制與檢測(cè)系統(tǒng)研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院,2012.

[3] 張躍明,鄧衛(wèi)平,官文,楊宇,吳鈞,關(guān)耀東.鏈?zhǔn)降稁?kù)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2012,(9)：56-58,62.

[4] 張國(guó)斌,楊伯金.圓盤刀庫(kù)自動(dòng)換刀系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械制造,2014,(7)：76-79.

[5] 安川AC伺服驅(qū)動(dòng)器∑-V系列用戶手冊(cè)[Z].安川電機(jī)有限公司,2007.

[6] 三菱通用FX系列編程手冊(cè)[Z].三菱電機(jī)自動(dòng)化（上海）有限公司,2009.