楊伯金，張躍明，牟宏明，楊 宇

（1.北京工業(yè)大學(xué)機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院北京 100124；2.呼和浩特眾環(huán)（集團）有限責(zé)任公司，呼和浩特 010051）

基于PLC刀庫控制系統(tǒng)研究*

楊伯金1，張躍明1，牟宏明2，楊 宇2

（1.北京工業(yè)大學(xué)機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院北京 100124；2.呼和浩特眾環(huán)（集團）有限責(zé)任公司，呼和浩特 010051）

刀庫及自動換刀裝置作為加工中心的重要功能部件，其性能直接影響加工效率。對刀庫及自動換刀裝置控制邏輯進行分析，從總體方案設(shè)計、刀庫控制邏輯和程序設(shè)計等方面闡述了對PLC控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究。重點研究了刀庫換刀動作時序及控制系統(tǒng)進行刀庫就近選刀定位、刀套翻轉(zhuǎn)及機械手快速換刀等的邏輯控制。刀庫通過PLC程序?qū)崿F(xiàn)刀庫就近選刀與自動換刀控制。經(jīng)實際應(yīng)用驗證該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，動作快速，準(zhǔn)確能夠滿足應(yīng)用要求。

刀庫；自動換刀裝置；PLC；控制系統(tǒng)

0　引言

刀庫及自動換刀裝置是實現(xiàn)刀具儲備及自動交換的重要功能部件，是高檔加工中心和重型加工中心的重要組成部分［1］。刀庫儲備加工刀具，根據(jù)換刀指令將刀具送至換刀位置，刀套翻轉(zhuǎn)，機械手將主軸上的刀具與目標(biāo)刀具進行交換。刀庫及自動換刀裝置控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行是實現(xiàn)多工序連續(xù)加工的關(guān)鍵。隨著加工中心向高自動化集成、高精度、高效率方向發(fā)展，對刀庫及自動換刀裝置控制系統(tǒng)性能提出了更高的要求。在刀庫及自動換刀裝置選刀換刀過程中，控制系統(tǒng)需要按照嚴(yán)格的邏輯關(guān)系和動作時序控制各機構(gòu)運動完成相應(yīng)動作。自動換刀裝置的換刀動作較多，且動作的相互協(xié)調(diào)關(guān)系復(fù)雜，容易發(fā)生故障。因此，刀庫及自動換刀裝置的控制便成為加工中心控制系統(tǒng)中非常重要的環(huán)節(jié)［2］。本文以眾環(huán)公司BT40-20L型圓盤式刀庫為研究對象。闡述刀庫及自動換刀裝置的邏輯控制、硬件和程序設(shè)計等方面的研究，設(shè)計完成刀庫及自動換刀裝置PLC控制系統(tǒng)。

1　控制方案總體設(shè)計

控制系統(tǒng)硬件主要由PLC，伺服驅(qū)動器，變頻器等組成，主要完成刀具定位、刀套翻轉(zhuǎn)以及機械手換刀等動作。通過對輸入輸出信號的精確統(tǒng)計和余量考慮，確定選用三菱FX1N-40MT型PLC。伺服電機驅(qū)動刀庫運動，實現(xiàn)選刀與刀具精確定位。通過二位五通電磁閥控制進氣和排氣，氣缸帶動刀套翻轉(zhuǎn)。機械手的運動由電機和凸輪箱聯(lián)合控制，并由機械手位置反饋裝置檢測機械手的旋轉(zhuǎn)信號，然后將旋轉(zhuǎn)信號反饋給PLC，實現(xiàn)機械手啟停運動的控制［3］。設(shè)計人機界面與PLC進行通訊，實現(xiàn)了對換刀過程的模擬及監(jiān)控?？刂葡到y(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　控制系統(tǒng)總體框圖

2　刀庫控制邏輯分析

在刀庫控制過程中，PLC程序經(jīng)內(nèi)部邏輯運算確定伺服電機轉(zhuǎn)動方向?qū)崿F(xiàn)就近選刀。伺服驅(qū)動器控制伺服電機驅(qū)動圓柱凸輪，凸輪旋轉(zhuǎn)一周刀庫運動一個刀位。目標(biāo)刀具所在的刀套運動到換刀位置時伺服電機停止旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)刀具精確定位，氣缸中的活塞通過連桿帶動刀套翻轉(zhuǎn)，機械手旋轉(zhuǎn)進行換刀。換刀完成后刀套回轉(zhuǎn)，整個換刀動作結(jié)束。

2.1刀庫選刀與刀具定位

刀庫有20把刀具，采用刀套編碼的選刀控制方。為了將目標(biāo)刀具送到換到位置，必須正確判斷電機的轉(zhuǎn)向和記憶經(jīng)過換刀位置的刀號［3］。PLC將目標(biāo)刀套號與當(dāng)前刀套號進行比較，判斷伺服電機轉(zhuǎn)向，從而實現(xiàn)刀庫就近選刀。當(dāng)電機正轉(zhuǎn)時，PLC程序內(nèi)的計數(shù)器自動記錄當(dāng)前刀套號，每轉(zhuǎn)過一個刀位，計數(shù)器值加1，反之減1。當(dāng)目標(biāo)刀套運動到換刀位置時，PLC停止高速脈沖輸出，伺服電機停止運轉(zhuǎn)。接近開關(guān)反饋刀位數(shù)給PLC。刀庫就近選刀換刀流程圖如圖2所示。

圖2　選刀換刀流程圖

2.2刀套翻轉(zhuǎn)與機械手換刀

PLC控制電磁閥的開閉帶動氣缸內(nèi)活塞運動，活塞桿與刀套連接，實現(xiàn)刀套的翻轉(zhuǎn)和回轉(zhuǎn)。撥叉隨著活塞的運動而進行往復(fù)運動，從而帶動換刀位置上的刀套，使其完成90°翻轉(zhuǎn)與回轉(zhuǎn)動作［2］。在整個換刀過程中，判別刀套的狀態(tài)非常重要，在進行選刀和機械手換刀的過程中必須識別當(dāng)前刀套的狀態(tài)，并設(shè)計相應(yīng)的保護控制邏輯［4］。因此在氣缸上安裝兩個磁性開關(guān)，檢測氣缸中活塞的位置確定刀套翻轉(zhuǎn)和回轉(zhuǎn)動作完成。磁性開關(guān)觸發(fā)信號反饋給PLC確定下一步動作的執(zhí)行與否。

加工中心自動換刀裝置是實現(xiàn)多工序連續(xù)加工的重要裝置，其結(jié)構(gòu)設(shè)計及其控制是實現(xiàn)加工中心設(shè)計制造的關(guān)鍵［5］。自動換刀裝置的設(shè)計要求是換刀時間短、刀具重復(fù)定位精度高、運行穩(wěn)定可靠等。自動換刀裝置主要由變頻器，ATC電機，凸輪箱，機械手組成。在換刀過程中，反饋裝置檢測機械手旋轉(zhuǎn)位置信號反饋給PLC，控制電機啟停實現(xiàn)機械手抓刀，拔刀，旋轉(zhuǎn)，裝刀回，原點等一系列換刀動作。通過變頻器多功能端子能夠?qū)崿F(xiàn)機械手不同速度的換刀。

2.3刀庫控制動作時序

在換刀過程中，刀庫、氣缸和機械手三者之間應(yīng)準(zhǔn)確配合，若三者之間的配合不準(zhǔn)確，將造成換刀動作的失?。?］。為了避免在換刀過程中各個動作發(fā)生相互干涉，發(fā)生故障，設(shè)計了刀庫及自動換刀裝置的控制系統(tǒng)的動作時序。PLC通過接收到的反饋信號來確定下一步動作，即上個動作完成是下個動作開始執(zhí)行的條件，未接收到上個刀庫動作完成的反饋信號，刀庫停止運動并報警指示燈開。從而保證每個動作準(zhǔn)確安全有效。如圖3所示。

圖3　圓盤式刀庫動作時序圖

3　控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1伺服驅(qū)動器

刀庫分度盤轉(zhuǎn)動采用伺服電機驅(qū)動。伺服電機帶有軸編碼器，能夠反饋電機的角度信號給伺服驅(qū)動器形成閉環(huán)控制以達到精確控制伺服電機旋轉(zhuǎn)的位置和速度，使刀庫選刀快速，定位準(zhǔn)確。通過對電機轉(zhuǎn)速和功率的準(zhǔn)確計算確定選用安川SGMGV-13ADC61伺服電機及SGDV-120A01A伺服驅(qū)動器。伺服驅(qū)動器Pn000設(shè)為0010，即采用位置控制模式，PLC以發(fā)送的脈沖頻率控制電機轉(zhuǎn)速，以脈沖數(shù)對刀套進行定位控制。刀庫伺服驅(qū)動器設(shè)計圖如圖4所示。

圖4　伺服驅(qū)動器設(shè)計圖

3.2ATC變頻器

機械手換刀由ATC交流電機和凸輪箱聯(lián)合控制。根據(jù)啟動平滑、制動迅速等要求選用三菱FR-D740-1.5k變頻器來控制ATC電機。在自動換刀過程中，ATC電機在一次啟動與停止之間的運動過程中要保持速度恒定。因此利用變頻器的多段調(diào)速來控制ATC電機的運動實現(xiàn)機械手多速換刀。自動換刀裝置變頻器設(shè)計圖如圖5所示。

圖5　變頻器設(shè)計圖

4　控制程序設(shè)計

刀庫及自動換刀裝置自動換刀程序采用三菱編程軟件GX Developer編寫，支持梯形圖、指令表、SFC、ST及FB、Label語言編程，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)定，可進行程序的在線更改、監(jiān)控及調(diào)試，結(jié)構(gòu)化程序的編寫（分部編程）［7］。刀庫PLC控制程序主要分為就近選刀程序和機械手換刀程序。上電后首先刀庫進行初始化，初始化后對自動和手動兩種控制模式進行選擇，在手動模式時配合操作面板上的按鈕完成各項動作的手動控制。

在就近選刀程序中，首先比較當(dāng)前刀套號D130和選用刀套號D131的大小，若相等則M21通刀套翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)進行換刀；當(dāng)D130大于D131時，將D130減D131的值與16相比較，若小于16則電機反轉(zhuǎn)，反之正轉(zhuǎn)；D130小于D131時，將D131減D130的值與16比較，若小于則電機正轉(zhuǎn)，反之反轉(zhuǎn)，若等于則電機正轉(zhuǎn)。

選刀完成后，伺服電機停止旋轉(zhuǎn)。垂直電磁閥接通，刀套翻轉(zhuǎn)，PLC接收汽缸垂直磁性開關(guān)觸發(fā)信號后，運行機械手換刀程序，ATC電機開始旋轉(zhuǎn)，機械手進行換刀，換刀完成后機械手回原點，刀套回轉(zhuǎn)，整個換刀過程結(jié)束。

5　結(jié)論

在對刀庫選刀及機械手換刀具體過程分析研究的基礎(chǔ)上，對刀庫及自動換刀裝置控制邏輯和控制系統(tǒng)硬件進行設(shè)計。通過PLC編程實現(xiàn)刀庫就近選刀，通過變頻器實現(xiàn)機械手不同轉(zhuǎn)速下?lián)Q刀，減少換刀時間。提高了刀庫及自動換刀裝置的自動化程度和加工效率。經(jīng)驗證，本控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定、操作簡單，定位準(zhǔn)確，易于擴展。滿足加工中心對刀庫及自動換刀裝置的控制要求。為課題進一步研究伺服刀庫數(shù)控系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

［1］韓越梅.加工中心自動換刀裝置的研究進展［J］.裝備制造技術(shù)，2010（5）：128-129.

［2］張躍明，鄧衛(wèi)平，官文，等.鏈?zhǔn)降稁斓目刂葡到y(tǒng)設(shè)計［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2012（9）：56-58.

［3］官文.鏈?zhǔn)降稁旒白詣訐Q刀裝置的控制與檢測系統(tǒng)研究［D］.北京：北京工業(yè)大學(xué)，2012.

［4］盧勇，陳岸雨.圓盤式刀庫控制邏輯分析［J］.金屬加工，2012（10）：50-51.

［5］黃澤正，劉沖，陳志輝.加工中心自動換刀裝置的設(shè)計［J］.機械工程與自動化，2007（1）：124-125.

［6］王元軍，楊琪，俞暉，等.某型臥式加工中心自動換刀系統(tǒng)可靠性與故障分析［J］.中國制造業(yè)信息化，2010（7）：75-77.

［7］三菱通用FX系列編程手冊［Z］.三菱電機自動化（上海）有限公司，2009.

（編輯 趙蓉）

The Research of the PLC Control System for the Tool Magazine

YANG Bo-jin1，ZHANG Yue-ming1，MU Hong-ming2，YANG Yu2
（1.College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China；2.Huhhot Zhong Huan（Group）CO.，LTD.，Huhhot010051，China）

The tool magazine and automatic tool changer is an important functional component in the machining center，which actual performance directly affects the efficiency of machining center.In this paper，it introduces the application of the control system from several aspects of the overall program design，the control of tool magazine and the control of automatic tool changer.This paper focuses on the control of the tool magazine for the position of the tool，the flip of tool holder and the tool changer of manipulator during the operation.The PLC program can complete the selection of tool magazine nearest tool and the control of automatic tool changer.This system is certified to meet the application requirements with the stable performance，simple structure，easy operation and the rapid and accurate action.

the tool magazine；automatic tool changer；PLC；control system

TH122；TG659

A

1001-2265（2015）02-0107-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.02.030

2014-06-06

刀庫及自動換刀裝置規(guī)?；圃礻P(guān)鍵技術(shù)與裝置的研發(fā)（2012ZX04002051）

楊伯金（1988—），男，山東濰坊人，北京工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向為刀庫及自動換刀裝置控制，（E-mail）yangbojin@126.com。