匯川PLC-AM600控制德士ATC換刀機構
2024-9-9 來源： 沈陽工學院機械工程與自動化學 作者：黃一師
［摘 要］刀庫是機床重要的組成部件，為了滿足不同零件的加工需求，希望機床上的刀庫容量大，能夠容納多種類多數量的刀具，減少人工在刀庫上裝卸刀具的時間，從而提高數控機床的加工效率，如果使用數控系統自帶的伺服電機來控制換刀機構，系統控制軸數多，單通道的數控系統很難滿足要求，而選擇雙通道的數控系統會帶來機床制造成本的增加，現在就有這樣一個方案，匯川 PLC-AM600配上國產的 EURA 伺服驅動 SD20，能夠控制臺灣德士的 ATC換刀機構，實現高效精準換刀且不增加機床的制造成本。
［關鍵詞］刀庫 ；EURA 伺服驅動 SD20 ；匯川 PLC ；德士 ATC
0 引言
數控系統主要由控制系統、伺服系統和位置測量系統等三大部分組成。一臺數控機床控制的軸數越多，需要的驅動器和電機數量也會相應增加。然而目前很多國產單通道數控系統，控制伺服軸的數量是有限的，數控系統控制的伺服軸超過一定數量后，單通道數控系統就無法勝任，需要改用雙通道的數控系統。雙通道數控系統價格昂貴，加上造價不低的伺服系統，導致機床制造成本飆升，市場競爭處于不利位置。鑒于國產數控系統存在的上述問題，文章選擇在單通道系統情況下，參與加工插補的伺服軸由數控系統控制，不參與插補的選刀功能軸改由匯川 PLC來控制，在不影響機床加工效率的前提下，實現了不用雙通道數控系統，保證機床功能的完整性，機床制造成本得到有效控制。
1、德士ATC換刀機構工作原理
德士換刀機構最核心的部件是帶動換刀機械手炳運動的凸輪分割器，凸輪分割器在工程上又稱為凸輪分度器、間歇式分割器，是一種高精度的旋轉裝置，在結構上屬于空間凸輪分度機構，在自動機械中主要實現周向間歇輸送、直線方向間歇輸送和回轉驅動機械手功能。凸輪分割器具有分度精度高、運行平穩、定位自鎖、結構緊湊、體積小、噪聲低、傳遞扭矩大、高速性能好和壽命長等顯著特點。在凸輪分割器中，凸輪分割器通過輸入軸上的凸輪與輸出轉塔進行連接，并且徑向嵌在有輸出轉塔圓周外面的凸輪滾子上，與凸輪的錐度支撐肋在他們相應的曲線斜面上作線性接觸分割器運動。在輸入軸旋轉的情況下，凸輪滾子根據給定的位移曲線旋轉帶動輸出轉塔，同時又沿著支撐肋的斜面滾動。在支撐肋與凸輪的端面平衡的區域里，即在凸輪分割器靜止范圍內，滾子與軸接觸的情況下，輸出轉塔自身并不作旋轉動作。錐度支撐肋通常與2個或3個凸輪滾子進行接觸，使得轉動的輸入軸可以均勻地傳送到輸出軸上，這種曲線的接觸在加工粗糙或旋轉不通暢的情況下，通常對于凸輪分割器的損壞是很大的，因此凸輪曲線傳動中精密加工至關重要。通過調節軸間的距離可以消除旋轉循環不順暢的情況。也可以通過調節預負荷來接近凸輪滾子與凸輪的彈性區域，加強分割器的剛性。其結構與功能就是轉位凸輪與凸輪滾子相結合的較佳性能，這種結構也可以做高速的運動。
2、川PLC-AM600控制德士ATC換刀機構應用組成
2.1 硬件組成
德士 ATC 換刀機構如圖1所示，整個換刀機構由 TZ軸、TX 軸、TY 軸、TW 軸（凸輪分割器機構），以及相關的機械手柄、氣缸伸縮夾頭組成，其中，TZ 軸負責刀庫的旋轉，分上下兩層，下層刀號為1 ～ 24，上層刀號為25 ～ 48，總容量48工位；TX 及 TY 軸負責移動氣缸夾頭，實現在 TZ 軸上取刀和還刀，并與里面刀柄 TW 軸交換主軸上的刀具，TW 軸負責主軸上刀具和機械手上的刀具交換位置，實現換刀。此軸是整個德士換刀機構的核心，主要利用了凸輪分割器的工作原理。圖2是匯川 PLC 控制德士 ATC 換刀機構在車銑加工機床上的應用場景。
圖1 德士ATC換刀機構組成
圖2 德士ATC機構在機床上的應用（換刀）
2.2 匯川PLC組態
根據圖1各換刀硬件的組成，對匯川 PLC 組態，選擇匯川 PLC ：AM600-CPU1608TP/TN，輸入模塊 AM600-1600END，輸出模塊 AM600-0016ETP，4個歐瑞的 SD20-E-CAT 驅動器，組態如圖3和圖4所示。
圖3 匯川PLC及輸入輸出模塊
圖4 匯川PLC及驅動模塊
2.3 驅動通信地址設定
PLC 與驅動器通信采用 EtherCAT 協議，需要設置驅動的地址，依次把驅動 SD20_TZ 的從站地址設置為001，從站配置別名設置為1001，把驅動 SD20_TX 的從站地址設置為 002，從站配置別名設置為 002，把驅動 SD20_TY的從站地址設置為003，從站配置別名設置為1003，把驅動 SD20_TW 的從站地址設置為 004，從站配置別名設置為1004。
2.4 相關的軸參數設定
在匯川 PLC 軟件里，驅動 SD20_TZ 下面添加伺服軸 Axis_TZ，雙擊伺服軸，點擊 SoftMotion 驅動基本的參數設置、SoftMotion 驅動縮放 / 映射對話框，點擊對話框中“模數”表示的是旋轉軸，“限定的”表示直線軸，本項目中的 TZ、TW 為旋轉軸，模值都為360，表示行程是0°～ 360° ；TX、TY 為直線軸，需要設置行程，也就是正負限位。在驅動基本參數設置里，還可以設置電機的加減速、電機的編碼器位數、旋轉方向、傳動比、螺距。
3、 ATC換刀機構電氣件組成、PLC地址分配表及換刀時序圖
3.1 德士ATC換刀機構電氣件組成
從圖1可以看出，ATC 換刀機構的 4 個電機分別由 4個驅動器控制，分別是 Z 軸伺服驅動器、型號為 SD20-E-102-T2，電機型號為 SMMB-751-S-3-7-E-D-K，用來控制刀庫的旋轉 ；X 軸伺服驅動器、型號為 SD20-E?201-T2，電機型號為 SMMB-751-S-3-5-B-D-K（帶抱
閘），用來帶動氣缸夾頭上下移動 ；Y 軸伺服驅動器、型號為 SD20-E-201-T2，電機型號為 SMMB-751-S-3-5-E-D-K，作用是帶動氣缸夾頭前后移動 ；W 軸伺服驅動器，型號為 SD20-E-201-T2，電機型號為 SMMB-751-S-3-5-E-D-K，用來實現氣缸夾頭上的刀具與主軸上的刀具交換 ；根據各軸所帶負載不同，從驅動和電機的型號可以看出，TZ 軸的功率比其他 3 個軸大一個等級，其他3軸的功率均相同。控制整個機構的 PLC 為匯川 AM600-CPU1608TN 型 PLC。
3.2 PLC地址定義以及PLC與機床交互信號
由表1可以看出，PLC 地址和機床地址同時出現表示PLC 與機床有交互信號。主要是機床給 PLC 的換刀啟動命令、刀具號，以及換刀完成信號，從地址的輸入輸出可以看出，機床的輸出信號是 PLC 的輸入信號，機床的輸入信號剛好是 PLC 輸出信號。
表1 PLC信號表
3.3 德士ATC換刀時序圖
德士 ATC 機構換刀前，所有的軸、功能部件和機床主軸位置都應該處于零點位置，如圖5所示，換刀動作的先后流程為 ：機床給匯川 PLC 發出目標刀號指令且同時啟動換刀命令 -TZ 軸旋轉尋找目標刀號，同時打開機床換刀氣動門→ TZ 軸上的目標刀號到位后，氣缸夾頭伸出→ TY 軸向下移動，到達抓緊刀具位置→氣缸夾頭縮回→ TX、TY 軸移動到刀具交換點，同時 TZ 軸旋轉到還刀點→ TW 軸旋轉到位1，手柄兩端分別抓住主軸和氣缸夾頭上的刀具，TW 軸凸輪機構到達上限位，為卸刀做好準備→主軸刀具松開→ TW 軸旋轉帶動主軸和氣缸夾頭上的刀具向下豎直移動直到凸輪機構下限位，即主軸和氣缸夾頭上的刀具被安全取下，兩把刀具都在手柄的兩端手腕上→ TW 軸旋轉到位2，為主軸裝刀做好準備→ TW 軸旋轉帶動主軸和氣缸夾頭上的刀具向上豎直移動直到 TW軸凸輪機構的上限點→主軸刀具夾緊→ TW 軸回到原點→ TX、TY 軸回到還刀點，同時關閉機床換刀氣動門→氣缸夾頭伸出→ TY 軸向上移動→氣缸夾頭縮回→換刀完成。
圖5 德士ATC換刀時序圖
3.4 ATC換刀機構PLC梯形圖
在編寫 PLC 梯形圖時，就是把圖5的換刀時序圖用匯川的相關 PLC 指令表達出來。
4、結束語
當前國產數控系統種類繁多，大多是中低端產品，高端領域的數控系統在技術成熟度上與發達國家還存在一定的差距，單通道五軸聯動數控系統尚不能在市場上廣泛應用，更何況雙通道數控系統，為了充分發揮單通道數控系統在機床上的應用，匯川 PLC 控制的德士 ATC 換刀機構解決了機床加工效率與制造成本的矛盾，彌補了雙通道數控系統沒有在機床上廣泛應用的無奈，降低機床的生產成本，提升其市場競爭力。
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