陳 琳，劉 超，張秋杰，潘海鴻

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004)

特種復(fù)合加工中心盤式刀庫自動換刀控制系統(tǒng)研究*

陳 琳，劉 超，張秋杰，潘海鴻

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004)

針對自主開發(fā)的龍門式雙主軸鈑金刻銑與激光切割復(fù)合加工中心的順序動作控制復(fù)雜、控制點(diǎn)數(shù)多且目前沒有控制該特種復(fù)合加工中心的數(shù)控系統(tǒng)問題，提出采用自由口通訊方式實(shí)現(xiàn)多軸運(yùn)動控制器與外掛獨(dú)立型通用PLC的通信和控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對復(fù)合加工中心的順序動作控制以及盤式刀庫自動換刀功能。對帶有機(jī)械手的圓盤式刀庫研究采用隨機(jī)地址最優(yōu)路徑選刀方法，在該復(fù)合加工中心平臺上實(shí)現(xiàn)自動化換刀功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于外掛獨(dú)立型通用PLC的自由口通訊控制方式下的最優(yōu)路徑選刀方法可以縮短換刀時間，提高加工效率。

特種復(fù)合加工中心；多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)；自由口通訊；外掛PLC；隨機(jī)地址選刀

0 引言

數(shù)控技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)機(jī)床技術(shù)與信息技術(shù)，是制造工業(yè)現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)封閉式開環(huán)控制模式下的數(shù)控技術(shù)往開放式全閉環(huán)模塊化控制方向發(fā)展[1]。

具有自動換刀功能的數(shù)控系統(tǒng)能縮短非切削加工時間，提升加工效率[2]。目前，自動換刀功能主要通過數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置可編程的機(jī)床控制器(PMC)或外掛PLC來實(shí)現(xiàn)[3-6]。兩者相比，內(nèi)置PMC直接由數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部控制，使用方便。而外掛型PLC具有獨(dú)立的硬件和軟件，靈活性高，便于擴(kuò)展，并且在完成邏輯順序動作過程中不會對運(yùn)動控制產(chǎn)生影響。

針對自主開發(fā)的龍門式雙主軸鈑金刻銑與激光切割復(fù)合加工中心的順序動作控制復(fù)雜、控制點(diǎn)數(shù)多且目前沒有控制該特種復(fù)合加工中心的數(shù)控系統(tǒng)問題，提出采用多軸運(yùn)動控制器通過自由口通訊方式實(shí)現(xiàn)與外掛獨(dú)立型通用PLC的通信和控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對復(fù)合加工中心的順序動作控制以及盤式刀庫自動換刀功能，實(shí)現(xiàn)有機(jī)械手參與的自動換刀功能，簡化控制裝置，以提高換刀效率。

1 圓盤式刀庫結(jié)構(gòu)及換刀過程

目前自動換刀裝置主要有兩種形式：有機(jī)械手和無機(jī)械手。有機(jī)械手換刀是利用機(jī)械手把主軸上的舊刀與刀庫上的新刀進(jìn)行交換，換刀時間短；無機(jī)械手換刀則是利用刀庫與主軸或刀架之間的相對運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)換刀，結(jié)構(gòu)簡單[7]。

圖1為鈑金刻銑與激光切割復(fù)合加工中心所使用臺大DK-50圓盤刀庫簡圖，刀庫容量為24。刀庫采用帶有減速機(jī)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)和定位開關(guān)控制刀盤轉(zhuǎn)動，保證尋刀過程中轉(zhuǎn)動平穩(wěn)及定位準(zhǔn)確。負(fù)責(zé)刀具交換的機(jī)械手采用雙扣刀結(jié)構(gòu)，同時抓取新舊刀具，提高換刀效率。根據(jù)換刀動作順序及時序要求，設(shè)計(jì)機(jī)械手換刀動作流程如圖2。其中，在換刀過程中實(shí)現(xiàn)目標(biāo)刀具快速定位到換刀位置是縮短換刀時間的關(guān)鍵。

1.刀套(裝有刀具) 2.刀臂(機(jī)械手) 3.主軸 4.刀盤 5.汽壓缸(刀套上下) 6.刀盤電機(jī)(刀盤的正反轉(zhuǎn)控制) 7.刀盤定位感應(yīng)開關(guān) 8.刀盤數(shù)刀感應(yīng)開關(guān) 9.刀盤原點(diǎn)感應(yīng)開關(guān)

圖1 圓盤式刀庫結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 換刀動作流程圖

2 外掛PLC隨機(jī)換刀控制實(shí)現(xiàn)

根據(jù)圓盤式刀庫機(jī)械手工作流程(圖2)，提出采用西門子S7-200 CPU 226型PLC實(shí)現(xiàn)換刀功能[8]。該系統(tǒng)硬件構(gòu)架由主CPU模塊和豐富的擴(kuò)展模塊組成。其具有功能豐富的指令集和多種方式與上位機(jī)進(jìn)行通訊，能夠滿足各種設(shè)備的自動化控制需求。上位機(jī)是自主開發(fā)的高性能多軸運(yùn)動控制器，通過RS232/485接口與外掛型PLC進(jìn)行通訊。

2.1 PLC與運(yùn)動控制器的通訊協(xié)議

外掛PLC與上位機(jī)之間建立穩(wěn)定的通訊是實(shí)現(xiàn)自動換刀功能的重要保證。為此PLC采用自由口通訊模式，即用戶通過制定通訊協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通訊。制定的PLC端通訊協(xié)議具體格式如表1、表2所示，信息幀內(nèi)容中的接收、發(fā)送字符個數(shù)表示有效數(shù)據(jù)最大長度，開始和結(jié)束字符標(biāo)志著單條通訊指令的起止。

表1 PLC接收通訊協(xié)議

表2 PLC發(fā)送通訊協(xié)議

采用PLC端口1與上位機(jī)通訊。通過設(shè)置PLC中特殊寄存器(SMBxxx)進(jìn)行控制。其中SMB130設(shè)置端口通訊方式、通訊波特率和數(shù)據(jù)校驗(yàn)位等；SMB8187控制接收信息標(biāo)志；SMB188指定開始信息字符；SMB189指定結(jié)束信息字符；SMB194指定接收字符最大個數(shù)(1～255Byte)[9]。

2.2 刀具管理庫的建立

將刀套號作為控制和管理對象，利用PLC建立數(shù)據(jù)表功能，設(shè)計(jì)刀具管理庫。以臺大DK-50刀庫為例，在PLC數(shù)據(jù)塊中建立刀庫數(shù)據(jù)表，使用查表指令TBL_FIND及設(shè)計(jì)相應(yīng)的程序以完成刀具的檢索和更新。

為能夠?qū)崟r管理刀具，機(jī)床首次上電開啟系統(tǒng)后需要對刀庫進(jìn)行初始化。PLC接收控制器下發(fā)的刀庫初始化指令將1號刀套置于當(dāng)前換刀點(diǎn)位置以完成刀庫初始化。表3為初始化后的刀具管理庫數(shù)據(jù)表。

表3中從VW204—VW252寄存器地址代表刀盤上的刀套號，里面存放的內(nèi)容是隨著刀具交換而變化的刀具號。最大填表數(shù)儲存在VW200寄存器區(qū)，實(shí)際填表數(shù)儲存在VW202寄存器區(qū)。

表3 刀具管理庫數(shù)據(jù)表

2.3 刀具檢索流程

采用計(jì)算機(jī)記憶隨機(jī)換刀方式，用PLC存儲器功能實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)記憶隨機(jī)選刀[8]。該方式在新刀取出后，刀盤不需再轉(zhuǎn)動，可立即把舊刀存入當(dāng)前刀套，即換刀、存刀一次完成，縮短換刀時間。刀具檢索流程如圖3所示。

圖3 PLC實(shí)現(xiàn)刀具檢索系統(tǒng)流程圖

2.4 最優(yōu)換刀路徑規(guī)劃

為實(shí)現(xiàn)需更換刀具快速定位到換刀位置盤最短路徑選刀，按照圖4流程計(jì)算隨機(jī)地址選刀的最優(yōu)路徑，對刀盤旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行控制。

圖4 隨機(jī)地址選刀流程圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證外掛PLC與上位機(jī)通信的可行性，證實(shí)隨機(jī)地址換刀中最優(yōu)路徑選刀的有效性。以鈑金刻銑與激光切割復(fù)合加工中心開放式數(shù)控系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)平臺，根據(jù)以上隨機(jī)換刀程序設(shè)計(jì)思路在西門子S7-200 CPU226 PLC上設(shè)計(jì)宏程序，在DK-50圓盤刀庫上分別測試刀盤固定轉(zhuǎn)向換刀方案和最優(yōu)路徑換刀方案。每次換刀前進(jìn)行刀庫初始化，置1號刀套為換刀位置，每次從第1號開始依次換到第24號刀具(T1換到T2、T1換到T3，……，T1換到T24)，記錄所用時間，結(jié)果如圖5。可以看出，當(dāng)目標(biāo)刀套號大于13時，最優(yōu)路徑換刀方案可以根據(jù)需要改變刀盤旋轉(zhuǎn)方向，換刀時間明顯少于順序換刀。表明最優(yōu)路徑換刀能有效減少換刀時間、提高加工效率。

圖5 兩種換刀方案所需時間

4 結(jié)束語

針對鈑金刻銑與激光切割復(fù)合加工中心開放式數(shù)控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出以外掛獨(dú)立型通用PLC與上位機(jī)通信實(shí)現(xiàn)對臺大DK-50圓盤式刀庫進(jìn)行自動換刀功能(刀盤選刀和機(jī)械手換刀)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證用自由口通訊控制方式可實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的正確通訊；實(shí)驗(yàn)證明最優(yōu)路徑選刀方法可以縮短換刀時間，提高加工效率。

[1] 王太勇，喬志峰，韓志國，等. 高檔數(shù)控裝備的發(fā)展趨勢[J]. 中國機(jī)械工程，2011，22(10): 1247-1252.

[2] 許可誠，顧寄南，王富良. 換刀機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011(8):158-160.

[3] 陳芳，李繼中. 盤式刀庫加工中心自動換刀系統(tǒng)控制[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007(10):149-150.

[4] 徐曉東，施桂和. FANUC 0i系統(tǒng)加工中心刀庫和凸輪式機(jī)械手的PMC控制[J]. 組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2007(4):74-76.

[5] 鄧昌奇，江冠練. 基于PLC的刀庫自動選刀應(yīng)用與開發(fā)[J]. 組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2010 (6):53-56.

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

[7] 董鋒，徐驥，汪地，等. 加工中心盤式刀庫自動換刀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011(5)：137-139.

[8] 劉煒. 數(shù)控加工中心自動換刀系統(tǒng)[J]. 機(jī)床與液壓，2005(5)：58.

[9] 蔡瑞娟，陳海霞，西門子PLC編程技術(shù)及工程應(yīng)用[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[10] 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):35-36.

(編輯 趙蓉)

Research on the Disc-tool Changer Automatic Tool Change Control System for the Special Compound Machining Center

CHEN Lin，LIU Chao，ZHANG Qiu-jie，PAN Hai-hong

(College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

The self-developed gantry twin-spindle sheet and laser cutting compound machining center has complex sequence action control and abundance of I/O control points. Thus it need a special Computer Numerical Control (CNC) system to control this compound machining center. A free port communication mode was proposed to implement communication and control between the multi-axis motion controller and the general independence PLC. Then it can realize the sequential action control and automatic tool change (ATC) function. The random address optimal path tool selection method was researched to realize ATC on the compound machining center by analyzing the disc-tool changer with manipulator. Experimental results showed that the tool change time can be reduced and the efficiency of processing was improved via the optimal path tool selection method under the free port communication mode and controlled by the independence PLC.

compound machining center；multi-axis motion controller；free port communication；independence type PLC；random address tool changing

1001-2265(2014)06-0073-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.06.020

2013-10-26

廣西科學(xué)技術(shù)廳(桂科攻11107002-26，桂科攻12118015-2A)

陳琳(1973—)，女，山東青島人，廣西大學(xué)教授，工學(xué)博士，研究方向?yàn)閿?shù)控技術(shù)，機(jī)器人控制技術(shù)，(E-mail)gxdxcl@163.com。

TH166;TG65

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