基于PLC的刀庫自動換刀控制系統(tǒng)設(shè)計

曹東級，柳毅，陳劍鋒，陳思思

（泉州信息工程學(xué)院，福建泉州，362000）

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，在我國加入世界貿(mào)易組織的20年間，配備有自動換刀刀庫的數(shù)控機(jī)床已經(jīng)向國外輸送了接近60萬臺，這對于提升國內(nèi)GDP和制造業(yè)的發(fā)展有著非常重要的作用。自動換刀刀庫與機(jī)械制造業(yè)的關(guān)系屬于密不可分的關(guān)系，隨著科技的逐漸提升，機(jī)械裝置以其高質(zhì)量以及高效率漸漸淘汰了普通的機(jī)床，自動化生產(chǎn)設(shè)備的技術(shù)逐步上升，機(jī)械制造業(yè)即將面臨巨大的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。因此，針對提高數(shù)控加工中心的加工效率、縮短換刀時間確保加工精度等問題的研究具有一定的現(xiàn)實意義和價值。

針對刀庫自動換刀控制系統(tǒng)的研究成為眾多學(xué)者關(guān)注的方向，在1991年到1995年期間，在重慶市科學(xué)研究所科研人員的不懈努力下，順利研發(fā)出了國內(nèi)首臺固定式動態(tài)自動換刀刀庫。2011年，董鋒等人[1]提出了一種加工中心盤式刀庫自動換刀控制系統(tǒng)設(shè)計，側(cè)重外圍電路的研究，采用PWM脈沖和I/O電路中采用光隔，在系統(tǒng)穩(wěn)定性方面有極大的提升。2014年，陳琳等人[2]針對復(fù)雜零件加工的自動換刀問題，優(yōu)化了PLC的通信，保證多軸運(yùn)動控制器可以有效通信，設(shè)計了一種特種復(fù)合加工中心的自動換刀系統(tǒng)。2015年，楊伯金等人[3]為了實現(xiàn)就近選刀和快速換刀，在PLC程序的控制邏輯方面做了大量的研究工作，研發(fā)出一種盤式伺服刀庫自動換刀系統(tǒng)。在2018年，王蕊等人[4]采用了一種新型的換刀系統(tǒng)，優(yōu)化了刀庫控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，在硬件配置和軟件設(shè)計也進(jìn)行了升級，從而提高了換刀的速度和加工精度。2021年，高文嬙等人[5]針對刀庫式加工中心自動換刀系統(tǒng)故障診斷與維修做出了詳細(xì)的分析，讓研究人員能從另外一個角度研發(fā)新型的自動換刀系統(tǒng)。

現(xiàn)階段數(shù)控加工中心因其刀庫刀具種類較多，可以完成較復(fù)雜的工件，因此加工中心的應(yīng)用越來越廣泛，但在應(yīng)用中刀庫選刀中出現(xiàn)的問題也普遍存在，故障的出現(xiàn)也影響了生產(chǎn)效率，為了給設(shè)備的維護(hù)和維修提供理論依據(jù)。本文以江蘇德速智能機(jī)械股份有限公司生產(chǎn)的ADKY圓盤系列（BT40）刀庫為研究對象，設(shè)計了一套了圓盤式刀庫自動換刀系統(tǒng)控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)自動換刀系統(tǒng)的精確選刀定位和快速換刀。

1 刀庫自動換刀機(jī)械系統(tǒng)的基本原理

本文以東莞市托馬斯精密機(jī)械有限公司生產(chǎn)的立式加工中心VMC650的圓盤式刀庫為研究對象，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，半徑350mm，厚度250mm，最多可容納24把刀柄。刀庫自動換刀機(jī)械系統(tǒng)主要由ATC電動機(jī)、雙爪式機(jī)械手、氣缸、活塞桿、位置刀套、刀盤等組成。刀庫自動選刀機(jī)械系統(tǒng)主要是接收信號通過電機(jī)旋轉(zhuǎn)選擇接下來加工需要的刀具，并使用機(jī)械手完成刀具轉(zhuǎn)換到主軸上。刀庫提供自動換刀和儲存刀的功能，通過控制計算機(jī)程序，可以完成這些不同的操作條件，銑、鉆、線、攻絲等。它減少了工作時間，降低了成本。刀庫和換刀機(jī)械手必須同時存在，如果沒有刀庫就無法事先準(zhǔn)備好需要的刀具，沒有換刀機(jī)械手就無法進(jìn)行刀具的交換。

圖1 刀庫自動換刀機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

刀庫自動換刀控制系統(tǒng)主要完成刀具運(yùn)動、刀套翻轉(zhuǎn)運(yùn)動、機(jī)械手換刀三個動作。刀庫自動換刀系統(tǒng)的基本工作流程是：首先數(shù)控系統(tǒng)收到換刀指令，刀庫通過電機(jī)正反轉(zhuǎn)至選定指定刀號，氣缸推動刀杯翻轉(zhuǎn)90度垂直向下，同時主軸抬高至換刀參考點并完成主軸定向，此時機(jī)械手執(zhí)行換刀動作，其動作包含：（1）機(jī)械手旋轉(zhuǎn)卡住刀庫刀柄與主軸刀柄；（2）將刀庫刀柄與主軸刀柄下拉180mm；（3）機(jī)械手旋轉(zhuǎn)180度；（4）機(jī)械手抬高180mm同時將刀柄裝入刀庫與主軸；（5）機(jī)械手回正。

2 硬件電路設(shè)計

■2.1 電源電路

控制系統(tǒng)電源接線如圖2所示，供電電源為AC380V，需經(jīng)過隔離變壓器把AC380V轉(zhuǎn)變?yōu)锳C220V，然后需要經(jīng)過斷路器，其作用是避免觸電和提高抗干擾能力。采用PLC供電，其輸入/輸出回路的電源為DC24V，選用型號為S-150-24V的AC220V/DC24V直流穩(wěn)壓電源。電源指示燈起到警示作用，亮了說明現(xiàn)在電源處于接通狀態(tài)。

圖2 電源接線圖

■2.2 控制系統(tǒng)的電路設(shè)計

2.2.1 IO分配表

為了便于PLC接線圖的繪制和PLC程序的編寫，將每一個輸入/輸出設(shè)備與PLC的輸入/輸出點進(jìn)行定義，其IO分配如表1所示。

表1 IO分配表

2.2.2 PLC的IO接線圖

在本次設(shè)計中，首先把當(dāng)前的設(shè)備PLC輸入/輸出端的圖紙設(shè)計出來，然后根據(jù)當(dāng)前項目的工藝要求設(shè)計出當(dāng)前設(shè)備的具體PLC接線圖，以便在編程過程中更加明確當(dāng)前設(shè)備需要多少個輸入/輸出點，具體設(shè)備PLC每個管腳接線圖如圖3所示。

圖3 PLC接線圖

2.2.3 電機(jī)接線圖

如圖4所示，設(shè)備工作器件三相電機(jī)在工作時需要用到三相動力電，而且會發(fā)生故障，此時如果在設(shè)備進(jìn)線端加裝空氣保護(hù)開關(guān)一套，這樣在電機(jī)出現(xiàn)故障的時候會起到保護(hù)當(dāng)前設(shè)備電機(jī)的作用，從而不會影響設(shè)備中的其它器件工作。三相動力電通過交流保護(hù)空氣開關(guān)的上端進(jìn)入后，其下端頭的空氣保護(hù)開關(guān)接入到交流接觸器上端頭后，則動力電源交流電220V接通后。電機(jī)正常工作主要是根據(jù)PLC的指令來執(zhí)行的，若交流接觸器線圈的電吸合，常開觸點接通，此時電機(jī)就開始正常工作。

圖4 電機(jī)接線圖

■3.1 程序主流程圖

根據(jù)設(shè)計要求，控制系統(tǒng)的程序主流程如圖5所示。

圖5 程序主流程圖

■3.2 控制系統(tǒng)程序設(shè)計

3.2.1 選擇刀號傳送程序

如圖6所示，當(dāng)輸入繼電器X4接通后，那么這個時候輸入繼電器X4把當(dāng)前的位置2傳送到數(shù)據(jù)寄存器地址D100里面這樣進(jìn)行當(dāng)前的后面的程序比較。

圖6 位置傳送塊程序

3 控制系統(tǒng)的程序設(shè)計

3.2.2 當(dāng)前刀號位置傳送程序

如圖7所示，當(dāng)程序自動運(yùn)行到網(wǎng)絡(luò)72處后，那么這個時候程序自檢測當(dāng)前的輸入繼電器X14是否接通工作，如果接工作后，那么這個時候常數(shù)2被PLC自動傳送到當(dāng)前的數(shù)據(jù)寄存器D102里面，與此同時輸入繼電器X15如果接通后，那么這個時候數(shù)據(jù)寄存器常數(shù)3也傳送帶數(shù)據(jù)寄存器D102里面。

圖7 刀庫位置傳送程序

3.2.3 電機(jī)正反轉(zhuǎn)判斷程序

如圖8所示，當(dāng)程序啟動時先判斷選擇刀號D100和當(dāng)前刀號D102的大小，M10是當(dāng)D100大于D102的時候接通，然后計算其差值并儲存在D300數(shù)據(jù)寄存器里面，然后在判斷D300中的數(shù)據(jù)是否大于四，如果是電機(jī)就進(jìn)行反轉(zhuǎn)，否則電機(jī)就正轉(zhuǎn)，M12是當(dāng)D102大于D100時的情況，條件不同，得到結(jié)果也不同，剛好完美地與刀庫選刀相結(jié)合，根據(jù)當(dāng)前刀號和目標(biāo)刀號的最近距離選擇刀庫正反轉(zhuǎn)，達(dá)到快速選刀的目的。

圖8 刀庫正反轉(zhuǎn)判斷程序

3.2.4 機(jī)械手氣缸工作程序

如圖9所示，當(dāng)輔助繼電器M1接通后，刀套和機(jī)械手垂直氣缸電磁閥開始接通，完成刀套翻轉(zhuǎn)和機(jī)械手垂直移動。當(dāng)兩者移動到位時，碰到限位開關(guān)，此時便開始機(jī)械手地正轉(zhuǎn)取刀庫的刀，4s后，機(jī)械手開始夾緊2s后開始反轉(zhuǎn)，放松2s等待主軸取刀，然后正轉(zhuǎn)回初始位置，刀套和機(jī)械手回歸原位。

圖9 機(jī)械手氣缸動作程序

3.2.5 故障指示燈

如圖10所示，當(dāng)M1接通也就是選刀號與目標(biāo)刀號一致，刀盤停止，準(zhǔn)備換刀時刀套翻轉(zhuǎn)和機(jī)械手氣缸推動桿超過10s沒有碰到限位開關(guān)時，此時，故障指示燈就會被接通，提醒工作人員出現(xiàn)故障。

圖10 故障指示燈

4 控制系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計

本次系統(tǒng)采用KingView組態(tài)軟件，該軟件產(chǎn)品功能強(qiáng)大，電氣工控設(shè)備資源豐富，可以按照功能需求來設(shè)計圖形，配合定義數(shù)據(jù)變量和編輯邏輯命令達(dá)到想要的效果。組態(tài)王監(jiān)控畫面如圖11所示，通過當(dāng)前組態(tài)王模擬量，可以進(jìn)行當(dāng)前設(shè)備監(jiān)控的模擬，從動畫里面可以判斷當(dāng)前程序的正確性和可行性。

圖11 監(jiān)控畫面

點擊右鍵進(jìn)入動畫，點擊選擇刀號前方的數(shù)字，會彈出一個對話框如圖12所示，這個變量設(shè)置了1～8的區(qū)間代表了刀號，超過這個區(qū)間就會報警。刀盤根據(jù)當(dāng)前刀號和目標(biāo)刀號來判斷并進(jìn)行正反轉(zhuǎn)。當(dāng)選擇的刀號和目標(biāo)刀號一致的時候，刀盤停止，然后刀套和機(jī)械手進(jìn)行動作，到位后機(jī)械手開始正轉(zhuǎn)取刀，夾緊并反轉(zhuǎn)，然后機(jī)械手松開，全部返回原位。

圖12 輸入選擇刀號畫面

如圖13所示，刀庫選刀組態(tài)程序里面還有許多功能可以設(shè)置多個物體多種效果，配合起來可以達(dá)到各種各樣的效果，功能十分強(qiáng)大。例如，水平移動、閃爍、隱模擬值輸入等，都是本次設(shè)計中有使用到的。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一套基于PLC的刀庫自動換刀控制系統(tǒng)，介紹了刀庫自動換刀機(jī)械結(jié)構(gòu)的工作原理，完成了刀庫自動換刀控制系統(tǒng)硬件電路方案的設(shè)計、PLC程序的編寫、組態(tài)軟件的設(shè)計及調(diào)試、組態(tài)模擬的運(yùn)行調(diào)試等工作，可以實現(xiàn)了快速高效地?fù)Q刀，很大程度上提高了數(shù)控加工的效率。通過功能測試可以得到以下結(jié)論：

圖13 組態(tài)變量定義界面

（1）優(yōu)化了刀庫自動換刀的控制邏輯，選刀定位精準(zhǔn)，減少了換刀的時間，避免了操作過程中的低級錯誤；

（2）刀庫自動換刀系統(tǒng)適用性強(qiáng)，特別適合加工多個工序連續(xù)換刀的復(fù)雜零件，減小了多次安裝刀具所帶來的誤差，提高加工精度；

（3）系統(tǒng)控制簡單，制造成本低，維護(hù)簡單，組態(tài)界面良好，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，具有一定的抗干擾能力。