基于PLC的自動(dòng)換刀系統(tǒng)研究

牛軍燕，顧寄南

（江蘇大學(xué) 制造業(yè)信息化研究中心，鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

一個(gè)零件一般都需要多工序的加工，而單功能的數(shù)控機(jī)床只能完成單工序的加工。因此，在制造一個(gè)零件的過程中，大量的時(shí)間用于更換刀具上。為了縮短非切削時(shí)間，自動(dòng)換刀系統(tǒng)的作用就顯得越來越重要[1]。這種自動(dòng)換刀系統(tǒng)使生產(chǎn)過程自動(dòng)化、連續(xù)化，使得一個(gè)復(fù)雜的、需要多種刀具切削加工的零件可以一次完成，節(jié)省了換刀所需要的時(shí)間，提高了加工效率，同時(shí)減少了多次安裝造成的誤差，可有效提高加工精度[2]。

1 刀庫(kù)自動(dòng)換刀具體實(shí)施

換刀機(jī)械手是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀的主要機(jī)構(gòu)。換刀機(jī)械手由手爪、換刀臂、中臂、支架、底座、安裝板、汽缸、步進(jìn)電機(jī)等幾部分組成。機(jī)械手手爪，用來夾持刀具的刀柄；換刀臂上的伸縮缸在取刀和放刀前后以及裝刀和卸刀前后使用，以便防止機(jī)械手和刀庫(kù)等發(fā)生干涉；手爪處的氣缸用來驅(qū)動(dòng)完成手爪夾持刀具，保證轉(zhuǎn)換刀具時(shí)的夾緊，防止脫落等；中臂上的汽缸用在裝刀和卸刀時(shí)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)；支架上的汽缸用來彌補(bǔ)刀庫(kù)和刀架的高度差，還可以避免干涉；旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)中臂上的軸轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手換刀臂在刀架與刀庫(kù)之間的來回?cái)[動(dòng)；底座，用來支撐整個(gè)機(jī)械手。零部件之間全部采用螺栓連接的方式來固定。本研究設(shè)計(jì)的機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

刀庫(kù)自動(dòng)換刀實(shí)施步驟：當(dāng)一個(gè)加工工序完成后，將不用的刀具從刀架上卸下來送回刀庫(kù)中，同時(shí)還將下道工序的刀具裝入刀架中，然后換刀機(jī)械手回到原始位置等待下一個(gè)工作循環(huán)。即利用PLC控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)角位移和控制電磁閥的通斷，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來驅(qū)動(dòng)機(jī)械手臂的左右旋轉(zhuǎn)和驅(qū)動(dòng)刀庫(kù)的旋轉(zhuǎn)，電磁閥驅(qū)動(dòng)氣缸的升降和伸縮，升降運(yùn)動(dòng)來控制機(jī)械手手臂的上升和下降，伸縮運(yùn)動(dòng)來控制機(jī)械手手臂的伸長(zhǎng)和收縮[3]。

圖1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖

2 刀庫(kù)自動(dòng)選刀系統(tǒng)分析

2.1 刀庫(kù)自動(dòng)選刀系統(tǒng)概述

本研究設(shè)計(jì)的帶刀庫(kù)的換刀裝置由刀庫(kù)、刀具、選刀機(jī)構(gòu)、機(jī)械手等幾部分組成。

刀庫(kù)的作用就是儲(chǔ)備一定數(shù)量的刀具，機(jī)械手實(shí)現(xiàn)刀架上刀具的互換。刀庫(kù)一般是鏈?zhǔn)降稁?kù)和盤式刀庫(kù)，本系統(tǒng)采用了盤式刀庫(kù)，刀庫(kù)容量為六把刀。

2.2 刀具選擇方式分析

目前刀具選刀一般有四種控制方式：刀套編碼方式、順序選刀方式、刀具編碼方式、隨機(jī)換刀方式[4]。

2.2.1 刀套編碼方式

刀套編碼方式是對(duì)刀庫(kù)各刀座預(yù)先編碼，每把刀具放入相應(yīng)刀座之后就具有了相應(yīng)刀座的編碼，即刀具在刀庫(kù)中的位置是固定的。

2.2.2 順序選刀方式

將刀具按加工工序順序依次放入刀庫(kù)的每一個(gè)刀座中。每次換刀時(shí)，先把已經(jīng)使用過的刀具放回原來的刀座中，然后刀庫(kù)順序轉(zhuǎn)過一個(gè)刀座位置，并取出所需要的刀具。這種方法有利于對(duì)換刀過程的控制，但是，由于刀具在不同的工序中不能重復(fù)使用，如果刀具不按順序放在刀庫(kù)中，將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。這樣就必須增加刀具的數(shù)量和刀庫(kù)的容量，這樣降低了刀具和刀庫(kù)的利用率。

2.2.3 刀具編碼方式

刀具編碼方式就是刀具在刀庫(kù)中不必按照工件的加工順序排列，可以任意排放的。每把刀具均編上代碼，自動(dòng)換刀時(shí)，刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)，每把刀具都要經(jīng)過“刀具識(shí)別器”接受識(shí)別[5]。當(dāng)?shù)毒叽a與數(shù)控機(jī)床發(fā)出的請(qǐng)求代碼相符時(shí)，刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)到換刀位置，等待機(jī)械手取刀。

2.2.4 隨機(jī)選刀方式

這種方式主要由軟件完成選刀, 消除了由于識(shí)別裝置的移動(dòng)性和可靠性所帶來的選刀誤差,大大提高了選刀精度并簡(jiǎn)化了控制裝置。目前該種選刀方式正被越來越多的各類數(shù)控機(jī)床自動(dòng)換刀裝置采用。本文采用PLC技術(shù), 研究了帶有6把刀的隨機(jī)換刀方式的控制方法[4]。即：PLC接收到計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置( CNC) 發(fā)來的刀號(hào)指令, 即進(jìn)行選刀工作,刀庫(kù)在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng), 一旦選刀成功,就將該刀送至指定的刀具交換位置上,等待換刀。在這個(gè)過程中, 需要應(yīng)用PLC完成的自動(dòng)控制主要包括接收新刀號(hào)、計(jì)算目標(biāo)地址、確定刀庫(kù)回轉(zhuǎn)方向及回轉(zhuǎn)角度等。在刀庫(kù)刀具的安裝位置上裝有到位信號(hào)燈, 刀庫(kù)回轉(zhuǎn)經(jīng)過時(shí), 會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)至PLC,來確定是否到達(dá)目的位置[6]。換刀流程如圖2。

3 選刀自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 刀庫(kù)選擇控制方案

刀庫(kù)有六把刀組成，按鈕SB1～SB6分別為六種刀具選擇按鈕；ST1～ST6分別為六種刀具的到位行程開關(guān)。在設(shè)計(jì)PLC程序之前，必須先定義好輸入輸出號(hào)。定義的輸入輸出號(hào)如表1所示：

表1 刀庫(kù)部分選擇PLC的輸入輸出分配表

圖2 換刀流程圖

3.2 刀庫(kù)的自動(dòng)控制過程

1）初始狀態(tài)時(shí)，PLC記錄當(dāng)前刀號(hào)。

2）當(dāng)按下按鈕SB1～SB6中的任意一個(gè)時(shí)，PLC記錄該刀號(hào)，然后刀盤按照離請(qǐng)求刀號(hào)最近的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)到達(dá)刀具位置時(shí)，到位指示燈發(fā)亮，機(jī)械手開始換刀。

3）換刀過程中，其他換刀請(qǐng)求均無效。換刀完畢，記錄當(dāng)前刀號(hào)，等待下一次換刀請(qǐng)求。

程序設(shè)計(jì)說明：

1）記錄當(dāng)前刀號(hào)。當(dāng)1號(hào)刀具處于機(jī)械手位置時(shí)，ST1動(dòng)作，所對(duì)應(yīng)的到位行程開關(guān)閉合，將數(shù)據(jù)1 傳入至數(shù)據(jù)寄存器VW0中；當(dāng)2號(hào)刀具處于機(jī)械手位置時(shí)，ST2動(dòng)作，所對(duì)應(yīng)的到位行程開關(guān)閉合，將數(shù)據(jù)2傳入至數(shù)據(jù)寄存器VW0中。以此類推，記錄當(dāng)前刀號(hào)。

程開關(guān)閉合，將數(shù)據(jù)1 傳入至數(shù)據(jù)寄存器VW0中；當(dāng)2號(hào)刀具處于機(jī)械手位置時(shí)，ST2動(dòng)作，所對(duì)應(yīng)的到位行程開關(guān)閉合，將數(shù)據(jù)2傳入至數(shù)據(jù)寄存器VW0中。以此類推，記錄當(dāng)前刀號(hào)。

2）記錄當(dāng)前請(qǐng)求刀號(hào)。當(dāng)請(qǐng)求選擇1號(hào)刀具時(shí)，PLC得到信號(hào)，將常數(shù)1傳入至數(shù)據(jù)寄存器VW2中，同時(shí)使得內(nèi)部標(biāo)志位置位，其他請(qǐng)求信號(hào)無效；當(dāng)請(qǐng)求選擇2號(hào)刀具時(shí)，PLC得到信號(hào)，將常數(shù)2傳入至數(shù)據(jù)寄存器VW2中，同時(shí)使得內(nèi)部標(biāo)志位置位，其他請(qǐng)求信號(hào)無效；以此類推，記錄當(dāng)前的請(qǐng)求刀具號(hào)。

3）當(dāng)內(nèi)部寄存器置位后，比較指令使得：

（1）如果寄存器數(shù)據(jù)VW0＞VW2，則執(zhí)行減法運(yùn)算VW0-VW2，運(yùn)算結(jié)果存入VW6中，然后將VW6中的數(shù)據(jù)在下一邏輯行中進(jìn)行比較。若VW6＞3，則刀庫(kù)離請(qǐng)求刀號(hào)逆轉(zhuǎn)方向最近，步進(jìn)電機(jī)到東刀庫(kù)逆轉(zhuǎn)。若VW6=3，則刀庫(kù)離請(qǐng)求刀號(hào)順轉(zhuǎn)方向最近；同理，若VW6＜3，則電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)刀庫(kù)順轉(zhuǎn)。

（2）如果寄存器數(shù)據(jù)VW0=VW2，則到位指示燈亮，機(jī)械手開始取刀。

（3）如果寄存器數(shù)據(jù)VW0＜VW2，直接相減是一個(gè)負(fù)數(shù)，結(jié)果出錯(cuò)，因而將VW0加上刀具總數(shù)6后減去VW2，將得出的數(shù)據(jù)在下一邏輯行中比較。重復(fù)以上的過程，最后使得VW0=VW2，機(jī)械手進(jìn)行取刀操作[7]。

4 結(jié)束語

基于PLC的自動(dòng)換刀系統(tǒng)將充分發(fā)揮現(xiàn)有數(shù)控設(shè)備的功能，節(jié)省人工換刀時(shí)所需要的時(shí)間，提高車間的生產(chǎn)效率，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)一次裝夾完成多道工序，縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間。該控制方案主要適用于盤式刀庫(kù)換刀控制，也可供制造大容量刀庫(kù)參考應(yīng)用。

今后本課題組將要進(jìn)一步研究實(shí)現(xiàn)機(jī)床上嵌入式控制器與自動(dòng)換刀系統(tǒng)的無線通信技術(shù)。這種通信技術(shù)具有良好的靈活性和移動(dòng)性且安裝便捷、故障定位容易等優(yōu)點(diǎn)。最終形成連線安裝簡(jiǎn)單、易于查錯(cuò)、容易控制且定位準(zhǔn)確的自動(dòng)換刀系統(tǒng)。

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