論數(shù)控加工智能控制系統(tǒng)的研制

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，數(shù)控加工技術(shù)獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)步和廣泛的應(yīng)用。以數(shù)控加工中心自動(dòng)換刀技術(shù)為例，為了解決數(shù)控加工中心自動(dòng)換刀技術(shù)在使用過程中出現(xiàn)的速度慢、穩(wěn)定性能低以及控制系統(tǒng)編程復(fù)雜等一系列問題，文章著重對(duì)數(shù)控加工和加工中心自動(dòng)換刀功能進(jìn)行概述，描述了刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)、換刀的動(dòng)作以及PLC程序的開發(fā)和應(yīng)用，具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：數(shù)控加工；智能化；控制系統(tǒng)；加工中心；換刀

1 概述

目前，數(shù)控加工中心大量使用的換刀方式是通過使用刀庫(kù)實(shí)現(xiàn)的。獨(dú)立的刀庫(kù)不僅可以增加刀具的儲(chǔ)蓄數(shù)量，擴(kuò)大機(jī)床的功能，還可以減少影響加工精確度的各種因素。數(shù)控加工中心經(jīng)常使用的刀庫(kù)種類有鏈?zhǔn)降稁?kù)和盤式刀庫(kù)，按照刀庫(kù)換刀過程中是否有機(jī)械手參與，可以將刀庫(kù)換刀的方式分為機(jī)械手換刀和無機(jī)械手換刀。數(shù)控加工自動(dòng)換刀系統(tǒng)的核心部分是可編輯邏輯控制器（PLC）。PLC以及單片機(jī)在國(guó)內(nèi)被廣泛的引用，這兩種控制器各自具有優(yōu)缺點(diǎn)，PLC的控制程序編寫復(fù)雜，而單片機(jī)控制電路的搭建比較復(fù)雜。

2 數(shù)控加工和加工中心自動(dòng)換刀功能概述

數(shù)控加工作為一種利用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行零件加工的工藝方法，從總體上與傳統(tǒng)機(jī)床加工工藝規(guī)程是一致的，但是也存在著明顯的變化。利用數(shù)字信息進(jìn)行零件控制和刀具位移可以解決零件的種類多、數(shù)量少、結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及精確度高的問題，是實(shí)現(xiàn)數(shù)控自動(dòng)化加工和數(shù)控加工高效化的有效途徑。

在數(shù)控加工技術(shù)中，自動(dòng)換刀功能作為數(shù)控加工中心的基本功能之一，主要依靠自動(dòng)化換刀裝置實(shí)現(xiàn)換刀的功能。ATC的投資在數(shù)控加工中心上占整個(gè)機(jī)器的一半，因此，刀庫(kù)容量以及工作質(zhì)量受到用戶們的高度重視。如圖1a）所示的帶刀庫(kù)的ATC，它是由刀具交換機(jī)和刀庫(kù)組合而成的，并且刀具的交換主要是靠刀具間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及主軸實(shí)現(xiàn)的，在換刀的過程中需要先把主軸上的刀具送回到刀庫(kù)，然后再將新的刀具從刀庫(kù)中取出來，用這種方式進(jìn)行換刀所用的時(shí)間很長(zhǎng)，因?yàn)檫@兩個(gè)動(dòng)作不能夠同時(shí)進(jìn)行。圖1b）所示的加工中心在完成刀具交換時(shí)主要是靠環(huán)刀機(jī)械手完成的，因?yàn)閾Q刀機(jī)械手換刀具有很大的靈活性，可以大大的減少換刀的時(shí)間，所以這種換刀的方式應(yīng)用十分廣泛。

目前，記憶式任選換刀方式可以把刀具的編號(hào)和刀庫(kù)中刀套所在的位置在相對(duì)應(yīng)的數(shù)控系統(tǒng)中進(jìn)行記憶，可以實(shí)現(xiàn)任意追蹤和任意取送，所以在當(dāng)今被廣泛地使用。

3 刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)以及換刀的動(dòng)作

DEX-a402自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)如圖2所示，它主要是由凸輪、刀臂電機(jī)、刀臂、刀杯、刀庫(kù)電機(jī)、剎車、原點(diǎn)訊號(hào)以及松夾刀構(gòu)成。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀臂完成動(dòng)作，分四個(gè)步驟完成換刀。通過自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)中的凸輪對(duì)刀臂的正反轉(zhuǎn)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)刀臂電機(jī)單方向的旋轉(zhuǎn)，這種驅(qū)動(dòng)的方式使刀臂旋轉(zhuǎn)角度的精確度得以提高，也對(duì)電機(jī)的控制進(jìn)行了簡(jiǎn)化。圖3為刀臂運(yùn)動(dòng)的流程圖。

4 換刀的指令

4.1 刀具的選擇

所謂刀具的選擇就是在T功能的指令下，完成將刀庫(kù)上事先指定的刀具轉(zhuǎn)到換刀的位置。ATC按照t指令和來自刀庫(kù)信息給出的命令，通過控制系統(tǒng)來決定刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)的方向以及要求的步數(shù)等，可以采用機(jī)械隨機(jī)控制和記憶模式隨機(jī)控制兩種方式來實(shí)現(xiàn)。機(jī)械隨機(jī)控制模式控制每把刀與各自的刀套相對(duì)應(yīng)，在主軸和到庫(kù)之間采用“中間刀套”的方式提供換刀。與機(jī)械隨機(jī)控制模式相比較，記憶模式隨機(jī)控制方式主要是采用指針將刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)的位置給指出來，而刀具與刀套的位置不是相對(duì)應(yīng)的，記憶模式隨機(jī)控制方式比較可靠迅速。換刀控制方式的選擇主要是根據(jù)刀庫(kù)機(jī)械的機(jī)構(gòu)進(jìn)行的，下面的換刀方式是一種浮動(dòng)指針系統(tǒng)的換刀方式，用戶們通過T指令，將刀號(hào)確定，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行譯碼，譯碼完成后會(huì)在浮針指定的內(nèi)存中找出相對(duì)應(yīng)的刀具編號(hào)，然后通過系統(tǒng)專用的指令對(duì)刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)的方向以及旋轉(zhuǎn)的距離進(jìn)行判斷，等到刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)到指定的刀具位置之后就完成了選刀動(dòng)作。圖4為選刀的流程圖。

4.2 指令的選擇

M指令通過系統(tǒng)譯碼的方式到達(dá)PLC中的內(nèi)部繼電器，之后用戶們會(huì)根據(jù)動(dòng)作的要求進(jìn)行PLC程序的編寫。M指令作為ATC的輔助指令主要是由M6換刀、M86刀庫(kù)初始化以及M19主軸定位等組成。Servo Works CNC可以將數(shù)控的編制程序進(jìn)行簡(jiǎn)化，使用機(jī)床運(yùn)動(dòng)程序?qū)⑺鼈兗系揭粋€(gè)指令中去，系統(tǒng)的內(nèi)部會(huì)指定例如快進(jìn)、直線進(jìn)給以及圓弧插補(bǔ)等儲(chǔ)存移動(dòng)指令存儲(chǔ)到系統(tǒng)變量中去。

5 可編輯邏輯控制器（PLC）程序的開發(fā)和應(yīng)用

5.1 PLC刀庫(kù)選刀的程序

基于選刀流程中的自動(dòng)換刀指令主要包括刀具號(hào)搜索指令、旋轉(zhuǎn)方向和距離的計(jì)算指令以及刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)刀位的計(jì)數(shù)指令。DEX-a402的刀庫(kù)所能夠承受的刀具數(shù)量為24把，圖5為刀庫(kù)選刀的PLC程序圖。如程序中所示，刀具號(hào)搜索指令在D20開始的二十五個(gè)儲(chǔ)存單元中尋找與存儲(chǔ)目標(biāo)刀數(shù)號(hào)內(nèi)容相同的地址，并將它們存儲(chǔ)到R280中去；旋轉(zhuǎn)方向和距離計(jì)算指令對(duì)R290與C2的方向以及步距進(jìn)行實(shí)時(shí)地計(jì)算，然后通過R283進(jìn)行距離儲(chǔ)存，通過R203.6進(jìn)行旋轉(zhuǎn)方向的儲(chǔ)存；刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)刀位計(jì)數(shù)指令完成C2的計(jì)數(shù)，C2的增減計(jì)數(shù)由R960.3決定，刀杯技術(shù)信號(hào)由R200.4決定。

5.2 PLC刀臂換刀程序

刀臂的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作是通過PLC換刀程序?qū)崿F(xiàn)的。凸輪在刀臂電機(jī)的帶動(dòng)下控制自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)中的刀臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，剎車信號(hào)、原點(diǎn)信號(hào)、松夾刀信號(hào)都是通過機(jī)構(gòu)配備的剎車訊號(hào)提供的，通過這些訊號(hào)進(jìn)行剎車位置的編寫。圖6為換刀PLC程序，其中位置1對(duì)應(yīng)的是原點(diǎn)的位置，位置2對(duì)應(yīng)的是刀臂正轉(zhuǎn)六十度的位置，位置3對(duì)應(yīng)的是刀臂正轉(zhuǎn)一百八十度的位置。

5.3 存儲(chǔ)單元刀號(hào)的互換

數(shù)控加工自動(dòng)換刀作為一個(gè)隨機(jī)連續(xù)的過程，需要在完成換刀之后將儲(chǔ)存單元中的內(nèi)容進(jìn)行修改以保證下次有效進(jìn)行換刀。所謂存儲(chǔ)單元刀號(hào)的互換，主要是在中間存儲(chǔ)器的過渡下，將主軸刀號(hào)與當(dāng)前刀杯號(hào)的對(duì)應(yīng)杯號(hào)進(jìn)行互換。

6 結(jié)束語

綜上所述，隨著經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)和科技的進(jìn)步，PLC系統(tǒng)的自動(dòng)換刀技術(shù)與傳統(tǒng)的自動(dòng)換刀技術(shù)相比較，在數(shù)控加工中心換刀系統(tǒng)的編程以及維修維護(hù)難度方面都有了很大程度上的簡(jiǎn)化，在此基礎(chǔ)上與智能化技術(shù)相結(jié)合可以使整個(gè)換刀過程更加地迅速和準(zhǔn)確，促進(jìn)了PLC系統(tǒng)自動(dòng)換刀技術(shù)的研究應(yīng)用和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：陳輝雄（1963-），男，廣東汕頭人，汕頭市職業(yè)技能鑒定指導(dǎo)中心機(jī)械工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)械數(shù)控加工中心技術(shù)。