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淺談基于 PLC 的刀庫自動(dòng)換刀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2024-5-11 來源：- 作者：蔣繼紅朱洪亮等

摘要：本文主要以圓盤刀庫的機(jī)械手自動(dòng)換刀控制器為主要工作目標(biāo)，通過采用可編程控制器，完成了對圓盤刀庫的旋轉(zhuǎn)選刀、刀套翻轉(zhuǎn)送刀和機(jī)械手旋轉(zhuǎn)換刀程序等的自動(dòng)控制。本文還著重介紹了刀具庫中刀具手動(dòng)轉(zhuǎn)換控制器的基本構(gòu)造、工作原理、硬件構(gòu)成、軟件設(shè)計(jì)等。通過全新的換刀更換體系，可使其換刀效率大為提高，進(jìn)而獲得較好的企業(yè)效益。經(jīng)實(shí)踐運(yùn)用證明，這種方式具有系統(tǒng)全面、見效快、使用廣泛的優(yōu)點(diǎn)，各部門都可進(jìn)行需要的操作，能充分滿足加工中心的需要。

關(guān)鍵詞：PCL；刀庫；自動(dòng)換刀；控制系統(tǒng)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在入世貿(mào)組織的 20 年間，我國向海外輸送了近 60 萬臺帶有自動(dòng)換刀功能的 CNC 機(jī)床，對拉動(dòng) GDP 增長和制造業(yè)發(fā)展發(fā)揮了巨大作用。自動(dòng)換刀刀庫與機(jī)械制造業(yè)密不可分，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以高品質(zhì)、高效率的機(jī)械裝置逐漸取代了常規(guī)的機(jī)床，自動(dòng)化生產(chǎn)裝備的技術(shù)水平也在不斷地提升，這給機(jī)械制造業(yè)帶來了很大的挑戰(zhàn)與機(jī)會(huì)。

目前，由于數(shù)控加工中心的刀庫刀具種類比較多，它可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的工件，所以它的應(yīng)用范圍也變得越來越廣。不過，實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)中，刀庫選刀時(shí)存在的問題也是十分廣泛的，問題的存在也給設(shè)備質(zhì)量帶來了極大的困擾，希望可以給設(shè)備的保養(yǎng)與維護(hù)一些理論依據(jù)。本研究重點(diǎn)是根據(jù)江蘇德速智能工具公司的 ADKY 圓盤系列 (BT40) 刀庫，開發(fā)了一個(gè)可以精確選定刀具部位，并在該刀庫上實(shí)現(xiàn)速度轉(zhuǎn)換的圓盤刀庫的控制器。

1、刀庫自動(dòng)換刀機(jī)械系統(tǒng)的基本原理

自動(dòng)換刀裝置是一種以ATC 電機(jī)，雙爪機(jī)械手、氣缸、活塞桿、定位刀套、刀盤等為主要部件的裝置。其工作原理為接受指令，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，選擇下一次要加工的刀具，并在機(jī)械手的控制下，將刀具送至心軸。刀庫具有自動(dòng)更換刀具和存儲(chǔ)刀具的功能，可根據(jù)需要對刀具進(jìn)行加工，如銑、鉆、切絲、攻絲等。這樣可以縮短工作時(shí)間，節(jié)約開支。刀庫與換刀機(jī)器人要共存，沒有刀庫，就不能提前備好所需的刀具，沒有換刀機(jī)器人，就不能進(jìn)行換刀。

刀具庫房中的刀具自動(dòng)更換控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了刀具的移動(dòng)，刀套的翻轉(zhuǎn)，機(jī)械臂的更換。刀庫中刀具自動(dòng)更換的基本工作流程如下：數(shù)控系統(tǒng)接收刀具更換命令，用馬達(dá)將刀具庫正向和反向選擇指定刀具號碼，圓筒推進(jìn)刀杯 90°豎直向下，同一時(shí)間，將主軸提升到刀具更換的參照點(diǎn)，并對錠子進(jìn)行定位。此時(shí)，機(jī)械臂將進(jìn)行換刀，該換刀動(dòng)作如下：（1）機(jī)械手旋轉(zhuǎn)夾持庫刀和主軸刀；（2）從主軸刀柄上抽出 180mm 的刀具庫刀柄；（3）操作臂 180°的轉(zhuǎn)動(dòng)；（4）機(jī)器人抬起 180mm 的高度，把刀柄和心軸一起放進(jìn)刀具庫里；（5）機(jī)械手對齊。

2、PLC 控制系統(tǒng)要求

在制造過程中，對一個(gè)零件進(jìn)行加工時(shí)，常常不是一次就能完成，而是要經(jīng)過多次的加工才能完成。而無論是普通的還是普通的機(jī)床，哪怕是只有一種功能的數(shù)控機(jī)床，也只能完成一種工藝。在整個(gè)加工過程中，花費(fèi)的時(shí)間最多的就是更換刀具，但是，現(xiàn)在自動(dòng)化水平越來越高，手工更換刀具已經(jīng)嚴(yán)重地影響了生產(chǎn)的效率，因此，在加工中，自動(dòng)更換刀具系統(tǒng)的作用是非常重要的。本設(shè)計(jì)就是為這種情況而設(shè)計(jì)的，其具體要求如下。

（1）通過自動(dòng)切換系統(tǒng)的指令，可程控器自動(dòng)選取最接近的切換路徑，使刀具庫自動(dòng)旋轉(zhuǎn)。（2）待要用的刀片移至機(jī)器人拿刀處時(shí)，刀庫停止旋轉(zhuǎn)，自動(dòng)比對當(dāng)前刀片的編號和位置，若對，則選擇的刀片翻過來，機(jī)器人就可以隨時(shí)更換刀片；如果是錯(cuò)的，那么機(jī)器就會(huì)自動(dòng)停下來。（3）通過程控系統(tǒng)的指令，驅(qū)動(dòng)自動(dòng)切換馬達(dá)，使機(jī)械臂進(jìn)行切換。（4）當(dāng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)至取刀位時(shí)，停止動(dòng)作，程序控制系統(tǒng)收到指令后，自動(dòng)切換馬達(dá)停止，機(jī)械臂取回刀具。（5）機(jī)械臂取出刀具后，由程控裝置再一次發(fā)出指令，機(jī)械臂繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)至設(shè)定位置后，機(jī)械臂停止旋轉(zhuǎn)。（6）當(dāng)機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)至心軸時(shí)，程控器收到指令，自動(dòng)切換馬達(dá)停止，機(jī)械臂插入刀具。（7）機(jī)械臂進(jìn)行刀具的切換動(dòng)作，完成了主軸刀具的切換。

當(dāng)可程控器發(fā)出指令時(shí)，機(jī)械手就會(huì)動(dòng)作，當(dāng)動(dòng)作到達(dá)設(shè)定的位置時(shí)，可程控器就會(huì)收到訊號，讓自動(dòng)切換馬達(dá)停止，機(jī)械手就會(huì)停留在起始位置，從而完成切換。

3、硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 電源電路

圖 1 顯示了控制系統(tǒng)的供電線路，電源為 AC 380 伏，AC 380 伏到 AC220 伏的變換要求用一臺絕緣變壓器，再經(jīng)過電閘，設(shè)計(jì)用來預(yù)防電擊，并且增強(qiáng)了抗干擾性。這個(gè)系統(tǒng)是用一個(gè)程序控制裝置來控制的，它的輸入和輸出電路都是 DC24V，并選用 AC220V/DC24V 的直流電壓調(diào)節(jié)器，該穩(wěn)壓器為 S-150-24V。電源指示燈會(huì)發(fā)出警告信號，當(dāng)燈會(huì)亮?xí)r，表示目前已接通。

圖 1 電源接線圖

3.2 控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

為了方便繪制 PLC 接線圖和編寫 PLC 程序，將每個(gè)輸入 / 輸出設(shè)備與 PLC 的輸入 / 輸出點(diǎn)相對應(yīng)。

3.2.1 PLC 的 IO 接線

在這個(gè)設(shè)計(jì)里，首先設(shè)計(jì)了已有的 PLC 的輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)，接下來，按照目前的項(xiàng)目流程需求，為目前的設(shè)備設(shè)置了特定的 PLC 連接線，在程序設(shè)計(jì)中，這樣就可以更清楚地看到當(dāng)前設(shè)備的輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)。

3.2.2 電機(jī)接線

三相電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，裝置的工作部件，必須使用三相電源，而且還會(huì)出問題，此時(shí)，若在裝置的進(jìn)電線上加裝一組防風(fēng)開關(guān)，那么在電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障的時(shí)候，而不會(huì)影響其他部件的工作，對現(xiàn)有設(shè)備馬達(dá)進(jìn)行保護(hù)。三相電源通過交流保護(hù)空氣開關(guān)的上端進(jìn)入后，把它的下端頭和 AC 接觸器的上端頭連接起來，當(dāng) 220V 的電力供應(yīng)完畢后。電動(dòng)機(jī)在 PLC 的控制下運(yùn)轉(zhuǎn)，在接觸器繞組通電和常開度連接處，電動(dòng)機(jī)就能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

4、控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

4.1 程序主流程圖

按照設(shè)計(jì)要求，本文給出了該控制系統(tǒng)的主要程序流程圖，如圖 2 所示。

圖 2 程序主流程圖

4.2 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

4.2.1 選擇刀號傳送程序

如圖 3 中所示，如果輸入繼電器 X4 被打開，則此時(shí)，它將目前的位置 2 傳遞給數(shù)據(jù)寄存器地址 D100，以執(zhí)行隨后的目前的程序比較。

圖 3 位置傳送塊程序

4.2.2 當(dāng)前刀號位置傳送程序

如圖 4 所示，在程序在向網(wǎng)絡(luò) 72 自動(dòng)執(zhí)行時(shí)，程序會(huì)自動(dòng)判斷輸入繼電器 X14 的狀態(tài)，如果接受了這個(gè)任務(wù)，PLC 將常數(shù) 2 自動(dòng)轉(zhuǎn)移到了目前的數(shù)據(jù)寄存器 D102 上，在同一時(shí)間內(nèi)，輸入繼電器 X15 被激活，此時(shí)，數(shù)據(jù)寄存器常數(shù) 3 也被轉(zhuǎn)移到了數(shù)據(jù)寄存器 D102 中。

圖 4 刀庫位置傳送程序

4.2.3 電機(jī)正反轉(zhuǎn)判斷程序

在程序開始的時(shí)候，要判斷所選刀具編號 D100 和當(dāng)前刀具編號 D102 的尺寸，當(dāng) D100 大于 D102 時(shí)，M10表示，把它打開，并計(jì)算其差異，然后把它放到 D300的數(shù)據(jù)寄存器里，再次判定 D300 中的數(shù)據(jù)是否大于 4，要是電機(jī)的話，然后執(zhí)行一個(gè)逆向的操作，當(dāng) D102 大于 D100 時(shí)，M12 表示，在各種情況下，這將會(huì)產(chǎn)生非常不同的結(jié)果，結(jié)合刀庫中的刀具選擇，根據(jù)當(dāng)前刀與目標(biāo)刀的最短距離計(jì)算，來選擇刀具庫的正反兩面旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了快速選擇刀具的目標(biāo)。

4.2.4 機(jī)械手氣缸工作程序

在副繼電器 M1 的作用下，刀罩及機(jī)器人豎直圓柱形電磁閥啟動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)刀罩的翻轉(zhuǎn)及機(jī)器人的豎直運(yùn)動(dòng)。當(dāng)兩個(gè)人都走到了正確的位置，按下了極限開關(guān)，機(jī)器人就會(huì)從刀庫里拿出一把刀來。4s 后，機(jī)器人開始夾緊 2s，然后開始反向，放松 2s，等待主軸取刀，然后正轉(zhuǎn)回起始位置，刀套和機(jī)器人返回原位。

4.2.5 故障指示燈

如圖 9 所示，M1 開啟，意味著選擇的刀號與目標(biāo)刀號重合，刀片止動(dòng)，在準(zhǔn)備更換刀具的時(shí)候，當(dāng)?shù)短追D(zhuǎn)以及機(jī)械臂液壓缸的推桿在 10s 內(nèi)沒有觸碰到極限開關(guān)時(shí)，這時(shí)，故障顯示燈亮起，提示員工機(jī)器出現(xiàn)故障。

圖 5 故障指示燈

4.3 程序設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)刀裝置的基礎(chǔ)工作是轉(zhuǎn)刀。刀鞘的倒扣，就是用來抓刀的。刀套翻轉(zhuǎn)的過程是：在 PLC 的控制下，通過電磁閥的開關(guān)，帶動(dòng)氣缸中的活塞旋轉(zhuǎn)，因?yàn)榛钊麠U連接到機(jī)器手臂的構(gòu)造刀套上，這樣，活塞的移動(dòng)就能使刀片翻過來。在汽缸上安裝了兩個(gè)固定開關(guān)，用來檢測汽缸中活塞的位置。由此判斷刀鞘有沒有被徹底翻轉(zhuǎn)過來。PLC 根據(jù)定位切換信號決定是否進(jìn)行切換動(dòng)作。根據(jù)這一步，結(jié)合系統(tǒng)的控制流程，編制了控制系統(tǒng)的梯形圖。

5、結(jié)語

本文基于可編程控制器，設(shè)計(jì)了一種基于可編程控制器的刀庫自動(dòng)換刀控制系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)的工作原理，并進(jìn)行了硬件電路的設(shè)計(jì)、可編程控制器的編程、組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)與調(diào)試以及組態(tài)仿真軟件的運(yùn)行調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了快速高效的換刀，大大提高了 CNC 加工的效率。下面是從功能測試中得出的結(jié)論：

（1）優(yōu)化了刀庫房自動(dòng)化更換的控制邏輯，使刀具的選擇和位置更加準(zhǔn)確，縮短更換時(shí)間，在運(yùn)行中避免了一些低級的失誤；（2）本實(shí)用新型具有很好的適應(yīng)性，尤其適用于多道工序，需要不斷地更換刀具的復(fù)雜工件，可減少因多次更換而引起的誤差，從而提高了加工精度；（3）該系統(tǒng)具有操作簡便、造價(jià)低廉、易于維護(hù)、組態(tài)接口好、工作穩(wěn)定性好、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

作者：蔣繼紅 1，殷紅梅 1，劉曉宇 1，朱洪亮 2

來源：1. 江蘇電子信息職業(yè)學(xué)院；2. 漣水思麥柯動(dòng)力機(jī)械有限公司）

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