基于PLC刀庫(kù)控制系統(tǒng)研究*

楊伯金，張躍明，牟宏明，楊 宇

（1.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；2.呼和浩特眾環(huán)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，呼和浩特 010051）

基于PLC刀庫(kù)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(jī)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(tuán)）有限責(zé)任公司，呼和浩特 010051）

刀庫(kù)及自動(dòng)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(duì)刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置控制邏輯進(jìn)行分析，從總體方案設(shè)計(jì)、刀庫(kù)控制邏輯和程序設(shè)計(jì)等方面闡述了對(duì)PLC控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究。重點(diǎn)研究了刀庫(kù)換刀動(dòng)作時(shí)序及控制系統(tǒng)進(jìn)行刀庫(kù)就近選刀定位、刀套翻轉(zhuǎn)及機(jī)械手快速換刀等的邏輯控制。刀庫(kù)通過(guò)PLC程序?qū)崿F(xiàn)刀庫(kù)就近選刀與自動(dòng)換刀控制。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，動(dòng)作快速，準(zhǔn)確能夠滿足應(yīng)用要求。

刀庫(kù)；自動(dòng)換刀裝置；PLC；控制系統(tǒng)

0　引言

刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置是實(shí)現(xiàn)刀具儲(chǔ)備及自動(dòng)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(kù)儲(chǔ)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(jī)械手將主軸上的刀具與目標(biāo)刀具進(jìn)行交換。刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)多工序連續(xù)加工的關(guān)鍵。隨著加工中心向高自動(dòng)化集成、高精度、高效率方向發(fā)展，對(duì)刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置控制系統(tǒng)性能提出了更高的要求。在刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置選刀換刀過(guò)程中，控制系統(tǒng)需要按照嚴(yán)格的邏輯關(guān)系和動(dòng)作時(shí)序控制各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)完成相應(yīng)動(dòng)作。自動(dòng)換刀裝置的換刀動(dòng)作較多，且動(dòng)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(kù)及自動(dòng)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(kù)為研究對(duì)象。闡述刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置的邏輯控制、硬件和程序設(shè)計(jì)等方面的研究，設(shè)計(jì)完成刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置PLC控制系統(tǒng)。

1　控制方案總體設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件主要由PLC，伺服驅(qū)動(dòng)器，變頻器等組成，主要完成刀具定位、刀套翻轉(zhuǎn)以及機(jī)械手換刀等動(dòng)作。通過(guò)對(duì)輸入輸出信號(hào)的精確統(tǒng)計(jì)和余量考慮，確定選用三菱FX1N-40MT型PLC。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀庫(kù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)選刀與刀具精確定位。通過(guò)二位五通電磁閥控制進(jìn)氣和排氣，氣缸帶動(dòng)刀套翻轉(zhuǎn)。機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)由電機(jī)和凸輪箱聯(lián)合控制，并由機(jī)械手位置反饋裝置檢測(cè)機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)信號(hào)，然后將旋轉(zhuǎn)信號(hào)反饋給PLC，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手啟停運(yùn)動(dòng)的控制［3］。設(shè)計(jì)人機(jī)界面與PLC進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)換刀過(guò)程的模擬及監(jiān)控。控制系統(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(kù)控制邏輯分析

在刀庫(kù)控制過(guò)程中，PLC程序經(jīng)內(nèi)部邏輯運(yùn)算確定伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向?qū)崿F(xiàn)就近選刀。伺服驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)圓柱凸輪，凸輪旋轉(zhuǎn)一周刀庫(kù)運(yùn)動(dòng)一個(gè)刀位。目標(biāo)刀具所在的刀套運(yùn)動(dòng)到換刀位置時(shí)伺服電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)刀具精確定位，氣缸中的活塞通過(guò)連桿帶動(dòng)刀套翻轉(zhuǎn)，機(jī)械手旋轉(zhuǎn)進(jìn)行換刀。換刀完成后刀套回轉(zhuǎn)，整個(gè)換刀動(dòng)作結(jié)束。

2.1刀庫(kù)選刀與刀具定位

刀庫(kù)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(jī)的轉(zhuǎn)向和記憶經(jīng)過(guò)換刀位置的刀號(hào)［3］。PLC將目標(biāo)刀套號(hào)與當(dāng)前刀套號(hào)進(jìn)行比較，判斷伺服電機(jī)轉(zhuǎn)向，從而實(shí)現(xiàn)刀庫(kù)就近選刀。當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，PLC程序內(nèi)的計(jì)數(shù)器自動(dòng)記錄當(dāng)前刀套號(hào)，每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)刀位，計(jì)數(shù)器值加1，反之減1。當(dāng)目標(biāo)刀套運(yùn)動(dòng)到換刀位置時(shí)，PLC停止高速脈沖輸出，伺服電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。接近開(kāi)關(guān)反饋刀位數(shù)給PLC。刀庫(kù)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(jī)械手換刀

PLC控制電磁閥的開(kāi)閉帶動(dòng)氣缸內(nèi)活塞運(yùn)動(dòng)，活塞桿與刀套連接，實(shí)現(xiàn)刀套的翻轉(zhuǎn)和回轉(zhuǎn)。撥叉隨著活塞的運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)換刀位置上的刀套，使其完成90°翻轉(zhuǎn)與回轉(zhuǎn)動(dòng)作［2］。在整個(gè)換刀過(guò)程中，判別刀套的狀態(tài)非常重要，在進(jìn)行選刀和機(jī)械手換刀的過(guò)程中必須識(shí)別當(dāng)前刀套的狀態(tài)，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的保護(hù)控制邏輯［4］。因此在氣缸上安裝兩個(gè)磁性開(kāi)關(guān)，檢測(cè)氣缸中活塞的位置確定刀套翻轉(zhuǎn)和回轉(zhuǎn)動(dòng)作完成。磁性開(kāi)關(guān)觸發(fā)信號(hào)反饋給PLC確定下一步動(dòng)作的執(zhí)行與否。

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

2.3刀庫(kù)控制動(dòng)作時(shí)序

在換刀過(guò)程中，刀庫(kù)、氣缸和機(jī)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(dòng)作的失?。?］。為了避免在換刀過(guò)程中各個(gè)動(dòng)作發(fā)生相互干涉，發(fā)生故障，設(shè)計(jì)了刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置的控制系統(tǒng)的動(dòng)作時(shí)序。PLC通過(guò)接收到的反饋信號(hào)來(lái)確定下一步動(dòng)作，即上個(gè)動(dòng)作完成是下個(gè)動(dòng)作開(kāi)始執(zhí)行的條件，未接收到上個(gè)刀庫(kù)動(dòng)作完成的反饋信號(hào)，刀庫(kù)停止運(yùn)動(dòng)并報(bào)警指示燈開(kāi)。從而保證每個(gè)動(dòng)作準(zhǔn)確安全有效。如圖3所示。

圖3　圓盤式刀庫(kù)動(dòng)作時(shí)序圖

3　控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1伺服驅(qū)動(dòng)器

刀庫(kù)分度盤轉(zhuǎn)動(dòng)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。伺服電機(jī)帶有軸編碼器，能夠反饋電機(jī)的角度信號(hào)給伺服驅(qū)動(dòng)器形成閉環(huán)控制以達(dá)到精確控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)的位置和速度，使刀庫(kù)選刀快速，定位準(zhǔn)確。通過(guò)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和功率的準(zhǔn)確計(jì)算確定選用安川SGMGV-13ADC61伺服電機(jī)及SGDV-120A01A伺服驅(qū)動(dòng)器。伺服驅(qū)動(dòng)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(jī)轉(zhuǎn)速，以脈沖數(shù)對(duì)刀套進(jìn)行定位控制。刀庫(kù)伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

圖4　伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)圖

3.2ATC變頻器

機(jī)械手換刀由ATC交流電機(jī)和凸輪箱聯(lián)合控制。根據(jù)啟動(dòng)平滑、制動(dòng)迅速等要求選用三菱FR-D740-1.5k變頻器來(lái)控制ATC電機(jī)。在自動(dòng)換刀過(guò)程中，ATC電機(jī)在一次啟動(dòng)與停止之間的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中要保持速度恒定。因此利用變頻器的多段調(diào)速來(lái)控制ATC電機(jī)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手多速換刀。自動(dòng)換刀裝置變頻器設(shè)計(jì)圖如圖5所示。

圖5　變頻器設(shè)計(jì)圖

4　控制程序設(shè)計(jì)

刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置自動(dòng)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(yǔ)言編程，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)定，可進(jìn)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(kù)PLC控制程序主要分為就近選刀程序和機(jī)械手換刀程序。上電后首先刀庫(kù)進(jìn)行初始化，初始化后對(duì)自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制模式進(jìn)行選擇，在手動(dòng)模式時(shí)配合操作面板上的按鈕完成各項(xiàng)動(dòng)作的手動(dòng)控制。

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

選刀完成后，伺服電機(jī)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(kāi)關(guān)觸發(fā)信號(hào)后，運(yùn)行機(jī)械手換刀程序，ATC電機(jī)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，機(jī)械手進(jìn)行換刀，換刀完成后機(jī)械手回原點(diǎn)，刀套回轉(zhuǎn)，整個(gè)換刀過(guò)程結(jié)束。

5　結(jié)論

在對(duì)刀庫(kù)選刀及機(jī)械手換刀具體過(guò)程分析研究的基礎(chǔ)上，對(duì)刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置控制邏輯和控制系統(tǒng)硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)PLC編程實(shí)現(xiàn)刀庫(kù)就近選刀，通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)機(jī)械手不同轉(zhuǎn)速下?lián)Q刀，減少換刀時(shí)間。提高了刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置的自動(dòng)化程度和加工效率。經(jīng)驗(yàn)證，本控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單，定位準(zhǔn)確，易于擴(kuò)展。滿足加工中心對(duì)刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置的控制要求。為課題進(jìn)一步研究伺服刀庫(kù)數(shù)控系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

［1］韓越梅.加工中心自動(dòng)換刀裝置的研究進(jìn)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?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.

［3］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)，2012.

［4］盧勇，陳岸雨.圓盤式刀庫(kù)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(dòng)換刀裝置的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2007（1）：124-125.

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

［7］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.

（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(kù)及自動(dòng)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?yàn)榈稁?kù)及自動(dòng)換刀裝置控制，（E-mail）yangbojin@126.com。