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

王蕊 張孝元 高昆 王琪

摘要 本文針對(duì)圓盤刀庫的機(jī)械手自動(dòng)換刀控制系統(tǒng)，利用可編程控制器，實(shí)現(xiàn)了圓盤刀庫轉(zhuǎn)動(dòng)選刀，刀套翻轉(zhuǎn)送刀，以及機(jī)械手旋轉(zhuǎn)換刀過程的自動(dòng)控制。本文著重介紹了刀庫自動(dòng)換刀控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理以及控制系統(tǒng)的硬件配置和軟件設(shè)計(jì)。運(yùn)用新設(shè)計(jì)的換刀系統(tǒng)，加快原有的換刀速度，提高加工中心的工作效率。實(shí)踐后證明，新的換刀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整，動(dòng)作迅速并且支持?jǐn)U展，各個(gè)機(jī)構(gòu)可以做到控制要求的動(dòng)作，完全滿足加工中心的需求。

【關(guān)鍵詞】圓盤刀庫 PLC 自動(dòng)換刀 機(jī)械手

現(xiàn)今的數(shù)控加工中心被廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，大多也都配置了自動(dòng)換刀系統(tǒng)，但部分還沒有添加換刀機(jī)械手，所以換刀速度導(dǎo)致加工中心的效率不是很高。因此本文重新設(shè)計(jì)了基于PLC的自動(dòng)換刀系統(tǒng)，并增加換刀機(jī)械手，以此來提高換刀速度，從而減少加工時(shí)間，提高加工中心的工作效率。

1 刀庫自動(dòng)換刀系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

此次課題的研究對(duì)象是皖南立式加工中心VMC1000L的自動(dòng)換刀裝置，其刀庫屬于圓盤式刀庫結(jié)構(gòu)，如圖l、圖2所示，半徑180mm，厚度為250mm，最多可容納6把刀具。主軸圓錐孔應(yīng)用的是7：24的錐面，刀套的樣式是MSA403 BT-40，最大可以承受重量為9KG的刀具，最大可容納的刀具尺寸為φ150X450mm，換刀時(shí)間在10-30S之間。

自動(dòng)換刀系統(tǒng)的工作是將要使用的刀具從存放的刀庫中取出然后與主軸正在使用的刀具交換，系統(tǒng)分別由機(jī)械手（結(jié)構(gòu)如圖3所示）、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和刀庫等構(gòu)成。系統(tǒng)在數(shù)控加工中心的控制下來執(zhí)行選刀和換刀的自動(dòng)操作，在這一過程特別容易出現(xiàn)故障，所以必須要按嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)的邏輯與行動(dòng)順序來使各個(gè)機(jī)構(gòu)的行動(dòng)相互協(xié)調(diào)。由于在數(shù)控加工中心中，自動(dòng)換刀系統(tǒng)是重要組成部分之一，所以可以說它的效率就是機(jī)床的加工效率。本文研究的是數(shù)控加工中心的圓盤刀庫以及機(jī)械手換刀，在系統(tǒng)的硬件、換刀時(shí)的行動(dòng)順序及軟件編程方面進(jìn)行了主要的研究分析，了解了國(guó)際上當(dāng)今和傳統(tǒng)的自動(dòng)換刀系統(tǒng)，然后設(shè)計(jì)了以可編程控制系統(tǒng)為主的適合于數(shù)控加工中心的圓盤刀庫機(jī)械手換刀系統(tǒng)自動(dòng)換刀系統(tǒng)。

2 刀庫自動(dòng)換刀系統(tǒng)的工作原理

自動(dòng)換刀系統(tǒng)在換刀時(shí)，需要機(jī)械手和圓盤刀庫的緊密配合，如果機(jī)械手和刀庫配合失誤，則換刀行動(dòng)不成功。所以自動(dòng)換刀時(shí)每個(gè)部件的行動(dòng)順序需要互相協(xié)調(diào)且互不影響，由此就需要換刀程序有以下行動(dòng)順序：

首先設(shè)定刀具后圓盤刀庫旋轉(zhuǎn)剄位，刀套翻轉(zhuǎn)，機(jī)械手旋轉(zhuǎn)同時(shí)取下主軸和刀庫中的刀具，圓盤刀庫再將主軸正在使用的刀具刀位旋轉(zhuǎn)到機(jī)械手換刀位置，機(jī)械手旋轉(zhuǎn)180度同時(shí)將刀插入刀庫和主軸上，之后機(jī)械手復(fù)位，由此換刀完成，主軸開始繼續(xù)工作。

3 PLC控制系統(tǒng)要求

在我們生產(chǎn)加工一個(gè)零件的時(shí)候，往往不能一次加工完成，需要多個(gè)工序來完成加工。而在一般的或者是普通的機(jī)床中都是只能完成單個(gè)工序的加工，即使是功能單一的數(shù)控機(jī)床也是如此。在加工過程中最大量的時(shí)間是花在了換刀上，而當(dāng)今社會(huì)自動(dòng)化程度越來越高超，手動(dòng)的換刀已經(jīng)大大的影響了生產(chǎn)的效率，可以說自動(dòng)的換刀系統(tǒng)的作用在加工中已經(jīng)是刻不容緩。本次設(shè)計(jì)就是針對(duì)此種情況對(duì)自動(dòng)刀庫的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體要求如下：

（1）由自動(dòng)換刀系統(tǒng)發(fā)出命令，然后可編程控制器自動(dòng)選擇最近的換刀路線，刀庫轉(zhuǎn)動(dòng)。

（2）即將使用的刀具轉(zhuǎn)到機(jī)械手取刀的位置，刀庫停止轉(zhuǎn)動(dòng)，自動(dòng)比較當(dāng)前刀具標(biāo)號(hào)與位置，如果正確，所選刀具刀套翻轉(zhuǎn)，機(jī)械手準(zhǔn)備換刀;若果錯(cuò)誤，機(jī)器自動(dòng)停止。

（3）可編程控制器發(fā)出命令，自動(dòng)換刀電機(jī)啟動(dòng)，機(jī)械手移動(dòng)準(zhǔn)備換刀

（4）機(jī)械手移動(dòng)到取刀位置停止，可編程控制器接受信號(hào)，自動(dòng)換刀電機(jī)停止，機(jī)械手取刀。

（5）機(jī)械手取刀后，可編程控制器再次發(fā)出命令，機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)到指定位置后停止。

（6）機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)到主軸位置后，可編程控制器接受信號(hào)，自動(dòng)換刀電機(jī)停止，機(jī)械手插刀。

（7）機(jī)械手執(zhí)行換刀行動(dòng)并結(jié)束，主軸刀具更換完成。

可編程控制器發(fā)出命令，機(jī)械手移動(dòng)，移動(dòng)到指定位置后，可編程控制器接受信號(hào)，自動(dòng)換刀電機(jī)停止，機(jī)械手停在開始的位置，自動(dòng)換刀完成。如圖4所示。

4 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1 選配PLC型號(hào)

PLC是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，它的選型是尤為重要的。在明確控制的任務(wù)和要求的前提下，根據(jù)PLC結(jié)構(gòu)、估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)、存儲(chǔ)器所需要的容量、確定其特性等方面的因素，選擇性價(jià)比較高的PLC來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

據(jù)估算，本文所需的輸入點(diǎn)數(shù)為9點(diǎn)，輸出點(diǎn)數(shù)為14點(diǎn)。

存儲(chǔ)容量的計(jì)算：（15x9+lOx14+2x2+300）x130%=752.7B

因此，本文選用德國(guó)西門子公司S7-200系列的CPU226小型PLC即可滿足需求。

4. 2自動(dòng)刀庫的控制系統(tǒng)的輸入/輸出分配表

控制系統(tǒng)的輸入/輸出分配表如表1所示。

4.3 自動(dòng)刀庫的控制系統(tǒng)的端子接線圖

控制系統(tǒng)的端子接線圖如圖5所示。

5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

5.1 系統(tǒng)控制流程圖

系統(tǒng)控制流程圖如圖6所示。

5.2 程序設(shè)計(jì)

刀具的換刀裝置的根本任務(wù)是實(shí)現(xiàn)刀套翻轉(zhuǎn)和刀具轉(zhuǎn)換這兩個(gè)過程。刀套翻轉(zhuǎn)主要是為機(jī)械手抓取刀具做好準(zhǔn)備。刀套翻轉(zhuǎn)的具體步驟如下.首先PLC掌控電磁閥的開通和閉合，然后使氣缸內(nèi)的活塞進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，其中活塞桿和刀套相互連接，所以活塞的運(yùn)動(dòng)能使刀套進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。與此同時(shí)位于氣缸上設(shè)置有兩個(gè)位置開關(guān)，用來檢查氣缸內(nèi)活塞的方位，這樣就可以確定刀套是否已經(jīng)完成翻轉(zhuǎn)。PLC依據(jù)位置開關(guān)信號(hào)來確定能否運(yùn)行換刀操作。結(jié)合系統(tǒng)控制流程圖和此步驟，編寫出控制系統(tǒng)梯形圖。

5.3 調(diào)試與修改

本次設(shè)計(jì)所作出的梯形圖為了滿足系統(tǒng)的需要，使其方便、快捷、靈敏的實(shí)現(xiàn)刀具的轉(zhuǎn)換，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，記錄每次選刀換刀操作的系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，對(duì)不合理或者是沒有達(dá)到要求的程序段進(jìn)行修改，使其更加完善，最終形成的梯形圖能夠達(dá)到此次設(shè)計(jì)的所有要求。

6 總結(jié)

本文從換刀系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)入手，完成了對(duì)立式加工中心刀庫自動(dòng)換刀控制系統(tǒng)的硬件和軟件兩方面的設(shè)計(jì)，使得每次的換刀周期明顯提高，旋轉(zhuǎn)定位精準(zhǔn)度提高，實(shí)現(xiàn)了高速高效的換刀，且大大減少了操作過程中的誤差。并通過實(shí)踐證明，在數(shù)控加工中心配置該控制系統(tǒng)，使得工序較為集中，特別是在加工復(fù)雜零部件過程中，它的作用尤為顯著，在做到多個(gè)工序連續(xù)換刀的同時(shí)，也大大提高了加工過程中的精準(zhǔn)度，減小了反復(fù)安裝造成的定位誤差，并且，由于其制造費(fèi)用較低，維護(hù)簡(jiǎn)單方便，特別適用于現(xiàn)代新型的中小型企業(yè)。

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