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(dòng)換刀系統(tǒng)主要是將加工所需刀具，從刀庫(kù)中傳送到主軸夾持機(jī)構(gòu)上，由刀庫(kù)、機(jī)械手、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等構(gòu)成。配備自動(dòng)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(shí)間、降低生產(chǎn)成本，同時(shí)減少多次安裝造成的定位誤差，提高加工精度［1］。

自動(dòng)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(dòng)換刀系統(tǒng)配備的刀庫(kù)形式多種多樣，常用的有盤(pán)式和鏈?zhǔn)絻煞N。作為應(yīng)該最廣泛的一種刀庫(kù)形式，現(xiàn)針對(duì)盤(pán)式刀庫(kù)進(jìn)行自動(dòng)換刀系統(tǒng)控制程序的設(shè)計(jì)。

1 盤(pán)式刀庫(kù)自動(dòng)換刀結(jié)構(gòu)及換刀動(dòng)作分析

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

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

圖1 盤(pán)式刀庫(kù)

盤(pán)式刀庫(kù)選用刀套編碼方式，換刀時(shí)刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)，在刀庫(kù)的當(dāng)前刀位處裝有刀位信號(hào)開(kāi)關(guān)，刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)經(jīng)過(guò)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)到PLC，來(lái)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(pán)式刀庫(kù)的自動(dòng)換刀實(shí)際由兩個(gè)基本動(dòng)作合成:還刀和取刀。還刀為把主軸上的刀具還到刀庫(kù)相應(yīng)的刀位上;取刀為主軸上無(wú)刀，根據(jù)目標(biāo)刀具的編碼，在刀庫(kù)中找到這把刀，然后安裝到主軸上。因此盤(pán)式刀庫(kù)的自動(dòng)換刀程序可分解為還刀子程序和取刀子程序。自動(dòng)換刀開(kāi)始后先判斷主軸上是否有刀具，若無(wú)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(dòng)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(kù)目標(biāo)位置，然后在將目標(biāo)刀具取到主軸上。盤(pán)式刀庫(kù)自動(dòng)換刀的還刀和取刀子程序流程如圖2和圖3。

2 自動(dòng)換刀控制程序設(shè)計(jì)

2.1 PLC輸入輸出定義

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

在設(shè)計(jì)中，定義10.0為急停按鈕，以保證發(fā)生緊急情況時(shí)能夠快速按下此按鈕進(jìn)行保護(hù)。11.1為主軸有無(wú)刀具判斷信號(hào)，等于1時(shí)主軸有刀。在刀庫(kù)上設(shè)有刀具計(jì)數(shù)開(kāi)關(guān)，刀庫(kù)每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)刀位，開(kāi)關(guān)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，將此脈沖信號(hào)輸入PLC以判斷刀庫(kù)當(dāng)前刀位。刀庫(kù)換刀時(shí)，每一個(gè)動(dòng)作完成是下一個(gè)動(dòng)作啟動(dòng)的必要條件［4］。為了保證動(dòng)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(cè)開(kāi)關(guān)，x軸和z軸的換刀點(diǎn)檢測(cè)開(kāi)關(guān)等。將這些傳感器的檢測(cè)信號(hào)作為PLC的輸入來(lái)判斷是否執(zhí)行下步動(dòng)作。

換刀時(shí)，需要判斷刀庫(kù)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(shí)間。為了保證換刀的效率和精確性，刀庫(kù)還需要能夠快速轉(zhuǎn)動(dòng)和慢速轉(zhuǎn)動(dòng)［5］。選刀時(shí)，當(dāng)目標(biāo)刀位和當(dāng)前刀位相差1個(gè)以上刀位時(shí)，刀庫(kù)快轉(zhuǎn);相差1個(gè)刀位時(shí)，刀庫(kù)開(kāi)始慢速轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證刀庫(kù)精確到位。

刀庫(kù)采用西門(mén)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(kù)運(yùn)轉(zhuǎn)所必須的輸入輸出點(diǎn)。

表1 刀庫(kù)PLC輸入輸出分配表

2.2 刀庫(kù)就近選刀子程序

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

刀庫(kù)正轉(zhuǎn)選刀的條件:

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

刀庫(kù)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(kù)正反轉(zhuǎn)判斷條件來(lái)做出判斷，使刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)標(biāo)志位置1或置0，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)繼電器實(shí)現(xiàn)刀庫(kù)電動(dòng)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(shí)可以直接調(diào)用，此處就不在重復(fù)編寫(xiě)。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(gè)刀位），DIR為BOOL變量，等于1時(shí)刀庫(kù)正轉(zhuǎn)，等于0時(shí)反轉(zhuǎn)。VD10，VD20，VD30，VD40和V100.0為全局變量地址，分別存儲(chǔ)刀庫(kù)最大刀位、目標(biāo)刀位、當(dāng)前刀位、預(yù)停刀位和刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)標(biāo)志位。

2.3刷新當(dāng)前刀號(hào)子程序

在刀庫(kù)選擇過(guò)程中，還需要根據(jù)刀具計(jì)數(shù)信號(hào)不斷更新當(dāng)前刀具刀號(hào)，直到目標(biāo)刀具號(hào)等于預(yù)停刀位，刀庫(kù)由快速轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)槁俎D(zhuǎn)動(dòng)，等到目標(biāo)刀號(hào)等于當(dāng)前刀號(hào)，刀庫(kù)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，開(kāi)始下步換刀動(dòng)作。

隨著刀庫(kù)的旋轉(zhuǎn)，刀庫(kù)的當(dāng)前刀號(hào)會(huì)不斷變化，每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)刀位，刀庫(kù)的當(dāng)前刀號(hào)會(huì)加1或減1。當(dāng)?shù)稁?kù)正轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)前刀號(hào)減1，當(dāng)減到0時(shí)，當(dāng)前刀號(hào)存儲(chǔ)器重新賦值為刀庫(kù)最大刀位數(shù);當(dāng)?shù)稁?kù)反轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)前刀號(hào)加1，當(dāng)加到超過(guò)最大刀位數(shù)時(shí)，當(dāng)前刀號(hào)存儲(chǔ)器重新賦值為1。表2為刷新當(dāng)前刀號(hào)子程序的局部變量表。圖4、圖5為刷新當(dāng)前刀號(hào)子程序的具體程序段，圖6為對(duì)該子程序的調(diào)用。

表2 刷新當(dāng)前刀號(hào)子程序局部變量表

3 結(jié)語(yǔ)

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(guò)程的實(shí)現(xiàn)。針對(duì)本課題專用的盤(pán)式刀庫(kù)，分析了該刀庫(kù)的自動(dòng)換刀流程，設(shè)計(jì)了完整的PLC自動(dòng)換刀程序。該程序能很好的完成刀庫(kù)換刀的控制，提高了刀庫(kù)換刀的靈活性和可靠性、減少了換刀時(shí)間和提供換刀效率。

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