數(shù)控車床刀架PLC程序的組織和調(diào)試方法

周中吉

(上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司 上海 200125)

對(duì)于數(shù)控車床來(lái)說(shuō)，其刀架作為中心組件之一，發(fā)揮著關(guān)鍵作用，當(dāng)下，立式和臥式兩種電動(dòng)刀架在數(shù)控車床刀架中運(yùn)用比較廣泛。在此之中，四工位和六工位兩種立式刀架模式被運(yùn)用于簡(jiǎn)便數(shù)控車床中；八工位、十工位、十二工位等臥式刀架基本用于全功能復(fù)雜型數(shù)控車床之中，其具備正向和反向旋轉(zhuǎn)的功能。電動(dòng)刀架屬于數(shù)控車床核心結(jié)構(gòu)之一，若是能夠確保正確使用電動(dòng)換刀架，便能夠有效提升生產(chǎn)效率、提升加工精度，能夠更好地應(yīng)用至復(fù)雜零構(gòu)件加工之中。

1 自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)

1.1 自動(dòng)換刀裝置

零件加工成功完成需經(jīng)過(guò)多種工序疊加，尤其是單功能機(jī)床會(huì)將很多時(shí)間浪費(fèi)在更換刀具、裝卸零件等操作上，這樣一來(lái)，可用于切削加工的時(shí)間就會(huì)大大縮減。基于此，為高效利用切削時(shí)間，可在數(shù)控機(jī)床加工零件過(guò)程中融入自動(dòng)換刀裝置。目前，包含自動(dòng)換刀裝置的數(shù)控機(jī)床發(fā)展較為迅速。其與精密數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)相配合使用，可有效提升機(jī)器的加工速度。自動(dòng)換刀裝置擁有儲(chǔ)備刀具的功能，同時(shí)能在加工時(shí)間的限制之內(nèi)盡快實(shí)現(xiàn)更換刀具的目標(biāo)。同時(shí)，自動(dòng)換刀裝置還自帶重復(fù)定位系統(tǒng)，能有效增強(qiáng)加工精度，此外還具有存儲(chǔ)刀具數(shù)量多、結(jié)構(gòu)較為緊促、應(yīng)用安全的優(yōu)勢(shì)。依據(jù)數(shù)控機(jī)床的不同類型、工藝范圍不同、刀具種類和純儲(chǔ)高量等不同，相應(yīng)的也要選擇差異化的自動(dòng)換刀裝置。

1.2 用于數(shù)控車床的回轉(zhuǎn)刀架

回轉(zhuǎn)刀具作為自動(dòng)換刀裝置的類別之一，具備相對(duì)簡(jiǎn)易的操作特性，以刀架數(shù)量為出發(fā)點(diǎn)，又可分為四方刀架（在回轉(zhuǎn)刀架上安裝4 把刀具）和六角刀架（在回轉(zhuǎn)刀架上安裝6把刀具）[1-2]，也可根據(jù)施工需要安裝多把刀具。操作人員可根據(jù)數(shù)控裝置的指令自動(dòng)實(shí)現(xiàn)更換刀具的目標(biāo)。回轉(zhuǎn)刀架的強(qiáng)度與剛度需滿足設(shè)計(jì)需求，這樣才能在粗加工中承擔(dān)更大的切削抗力。刀尖的位置決定了車削加工的精度，安裝自動(dòng)換刀裝置的數(shù)控車床一旦開(kāi)始加工，不能中途人工調(diào)整刀具的位置，所以，為使回轉(zhuǎn)刀架轉(zhuǎn)位后有更加準(zhǔn)確的重復(fù)定位并且實(shí)現(xiàn)0.001～0.005 mm 的精度誤差限制，需創(chuàng)建科學(xué)的定位方案和完整的定位結(jié)構(gòu)。

2 PLC控制車床刀架

2.1 電動(dòng)刀架及其工作原理

根據(jù)圖1 所示內(nèi)容，電動(dòng)刀架的動(dòng)作切換控制主要由繼電器KA1、KA2管控，可以做到電機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換。當(dāng)?shù)都苄D(zhuǎn)時(shí)，每一工位中的霍爾元件會(huì)有序轉(zhuǎn)換為有效狀態(tài)，系統(tǒng)則可迅速把握T1、T2、T3 及T4 的狀態(tài)和變化，從而選擇和評(píng)判出刀具、刀號(hào)是否與所需相符，如果符合，電機(jī)則呈現(xiàn)出反向旋轉(zhuǎn)、鎖緊刀具的狀態(tài)。系統(tǒng)的順利運(yùn)行取決于電動(dòng)刀架各時(shí)序的切換狀況和間隔狀況，同時(shí)運(yùn)動(dòng)刀架生產(chǎn)廠家所推薦的指標(biāo)是否合理一定程度上影響著反向鎖緊的所需時(shí)間，太長(zhǎng)則會(huì)出現(xiàn)電機(jī)升溫乃至燒損的后果。因此，應(yīng)在交流380 V 進(jìn)線位置科學(xué)設(shè)置快速熔斷器、熱繼電器等，以保障電動(dòng)刀架的安全運(yùn)行。

圖1 電氣原理圖

2.2 刀架的選用

因定位準(zhǔn)確且速度快，電動(dòng)刀架在數(shù)控車床刀架中應(yīng)用更為廣泛。手動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)是傳統(tǒng)車床刀架的主要形式?？蛇x用電動(dòng)刀架，以提升數(shù)控車床的操作準(zhǔn)確性，根據(jù)藏刀數(shù)量的差異性，可將刀架類型分為臥式轉(zhuǎn)塔刀架和立式電動(dòng)刀架。前者一般裝有8～12 把刀，后者多為四工位或六工位。

2.3 電動(dòng)刀架的電機(jī)控制

刀架種類多樣，有簡(jiǎn)易刀架也有自動(dòng)刀架。霍爾元件是簡(jiǎn)易刀架評(píng)判刀位時(shí)的主要工具；自動(dòng)刀架則包含位置編碼和雙向換刀等功能，其中一些也具備電動(dòng)刀具。既可通過(guò)用普通異步電動(dòng)機(jī)控制刀架旋轉(zhuǎn)，也可應(yīng)用伺服電機(jī)。車床所需的刀架均可在刀架的生產(chǎn)廠家中購(gòu)買。不同的廠家，刀架生產(chǎn)方式不同，自然也包含不同的控制方法，即使相同廠家所生產(chǎn)的刀架也可能受型號(hào)不同的限制，采用不同的控制方法和控制時(shí)序?？傮w來(lái)說(shuō)，三相異步電動(dòng)機(jī)往往被用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)刀架。若想呈現(xiàn)出刀架正或反轉(zhuǎn)的效果，可將直流繼電器與交流接觸器進(jìn)行融合，并與三相交流電源進(jìn)行匹配。

2.4 刀架刀位信號(hào)監(jiān)控

在機(jī)床的使用過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)刀位檢測(cè)信號(hào)出現(xiàn)故障的情況，一旦出現(xiàn)此種情況，換刀過(guò)程難以順利實(shí)現(xiàn)，也會(huì)出現(xiàn)PLC 應(yīng)用程序搜索不到目標(biāo)刀具的狀況。一般情況下，刀架中進(jìn)入冷卻液時(shí)會(huì)損壞霍爾元件或造成單位信號(hào)線斷掉。通過(guò)觀察刀架的時(shí)序圖發(fā)現(xiàn)：檢測(cè)信號(hào)不會(huì)出現(xiàn)全“0”或者全“1”的狀態(tài)。刀架電機(jī)并未開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，但檢測(cè)信號(hào)卻呈現(xiàn)出“0”或者“1”的狀況，此時(shí)很可能是刀架硬件產(chǎn)生故障，這時(shí)要利用報(bào)警信號(hào)燈及時(shí)向工作人員傳輸故障信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行立即檢修，找出故障位置。

2.5 換刀時(shí)間監(jiān)控

對(duì)啟動(dòng)換刀和查找到目標(biāo)刀具的流程來(lái)說(shuō)，設(shè)置時(shí)間監(jiān)控是十分重要的[1]。若出現(xiàn)信號(hào)故障或編程錯(cuò)誤都會(huì)使自動(dòng)換刀裝置無(wú)法找到目標(biāo)刀位，也就無(wú)法完成自動(dòng)換刀的操作，因而對(duì)PLC 應(yīng)用程序進(jìn)行換刀時(shí)間監(jiān)控，可有效避免上述情況的出現(xiàn)。

2.5.1 時(shí)序分析

PLC應(yīng)用程序會(huì)迅速察覺(jué)到數(shù)控系統(tǒng)信號(hào)接口發(fā)出的換刀指令，并對(duì)當(dāng)前刀具的存在位置進(jìn)行監(jiān)控和評(píng)判，標(biāo)出目標(biāo)刀位方向，將電機(jī)啟動(dòng)后，刀架遵循就近原則，向著目標(biāo)方向旋轉(zhuǎn)。處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，可通過(guò)PLC應(yīng)用程序接收編碼器所發(fā)出的到位信號(hào)和選通信號(hào)，精準(zhǔn)評(píng)判出目標(biāo)刀位的存在位置。若實(shí)際刀位與目標(biāo)位相一致且選通信號(hào)出現(xiàn)了下降沿，預(yù)定位電磁鐵被PLC 應(yīng)用程序所控制而開(kāi)始工作。同時(shí)，預(yù)定位傳感器的下降沿還需進(jìn)一步監(jiān)控，當(dāng)出現(xiàn)下降沿時(shí)，要及時(shí)采取措施：控制電機(jī)方向，旋轉(zhuǎn)，將刀架鎖緊[2]。倘若鎖緊程序被啟動(dòng)時(shí)，PLC 應(yīng)用程序則要深度獲取到目前刀位和選通信號(hào)的上升沿。目前刀位和目標(biāo)刀位重合一致，并監(jiān)測(cè)到選通信號(hào)出現(xiàn)了上升沿，需對(duì)預(yù)定位進(jìn)行控制，關(guān)閉電磁鐵，關(guān)停刀架電機(jī)，換刀程序完成。換刀時(shí)有兩個(gè)重要時(shí)間：d1=30 ms，d2=60 ms，整個(gè)換刀過(guò)程是否順利與這兩個(gè)時(shí)間息息相關(guān)。若預(yù)定位電磁鐵不能吸合或刀架電機(jī)反向時(shí)間與設(shè)定值不相符時(shí)，刀架可能會(huì)出現(xiàn)鎖不緊的情況。PLC掃描時(shí)間、繼電器滯后時(shí)間會(huì)影響d1、d2。因此，PLC 應(yīng)用程序需設(shè)定更短的掃描周期，一般情況可設(shè)置數(shù)控系統(tǒng)的配置參數(shù)來(lái)達(dá)到上述目標(biāo)。實(shí)踐表明，將PLC 掃描時(shí)間設(shè)定在12 ms左右，能較好地滿足控制時(shí)序要求。

2.5.2 按就近找刀原則明確換刀方向

判斷刀架的旋轉(zhuǎn)方向?qū)儆赑LC應(yīng)用程序的重要任務(wù)[3]。換刀指令通過(guò)信號(hào)接口發(fā)出后，PLC應(yīng)用程序確定就近找到方向時(shí)要參照實(shí)際刀位。應(yīng)以就近找刀原則為基礎(chǔ)確定換刀方向。

3 數(shù)控車床自動(dòng)換刀PLC控制

數(shù)控車床電動(dòng)刀架所包含刀具的功能具有多樣性。為順利實(shí)現(xiàn)換刀操作，應(yīng)以旋轉(zhuǎn)分度為基礎(chǔ)展開(kāi)定位。以電動(dòng)刀架BWD40-1 為例，其屬于六工位刀架，傳動(dòng)工具為蝸桿蝸輪。刀架電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)則可完成刀架松開(kāi)分度，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)則可實(shí)現(xiàn)鎖緊定位。而電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)則由接觸器KM6、KM7 掌控。同時(shí)刀架的松開(kāi)和縮緊狀況則可由微動(dòng)行程開(kāi)關(guān)SQ1 監(jiān)控。刀架電動(dòng)機(jī)所包含的角度編碼器可進(jìn)一步對(duì)刀架分度進(jìn)行監(jiān)察。圖2為展現(xiàn)出具體的控制電路圖。

圖2 數(shù)控車床電動(dòng)刀架電氣控制線路

3.1 電氣設(shè)計(jì)要求

（1）換刀指令下發(fā)至機(jī)床后，刀架電動(dòng)機(jī)則呈現(xiàn)正向運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)，運(yùn)行松開(kāi)分度的任務(wù)。注意檢測(cè)轉(zhuǎn)位時(shí)間，將其設(shè)成10 s。當(dāng)分度時(shí)間超過(guò)特定數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)將以溫度故障報(bào)警信號(hào)的方式來(lái)進(jìn)行提醒。

（2）順利實(shí)現(xiàn)刀架分度后，電動(dòng)機(jī)呈現(xiàn)出反轉(zhuǎn)運(yùn)行的態(tài)勢(shì)，可以縮緊狀態(tài)對(duì)目標(biāo)換刀方向進(jìn)行監(jiān)控。同時(shí)應(yīng)在0.7 s限制內(nèi)完成電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)控制，避免電機(jī)發(fā)熱情況的出現(xiàn)。

（3）電動(dòng)機(jī)呈現(xiàn)正向或反向運(yùn)轉(zhuǎn)狀況時(shí)，應(yīng)對(duì)正向運(yùn)轉(zhuǎn)停止和反向運(yùn)轉(zhuǎn)開(kāi)始的延時(shí)時(shí)間展開(kāi)掌控。

（4）自動(dòng)換刀指令下發(fā)后，刀架對(duì)刀位進(jìn)行鎖緊，同時(shí)監(jiān)測(cè)其信號(hào)[4]。順利查找到鎖緊到位的信號(hào)后便可實(shí)行換刀操作。

（5）自動(dòng)換刀過(guò)程中要對(duì)電機(jī)進(jìn)行保護(hù)，一旦出現(xiàn)過(guò)載、短路、溫度過(guò)高等意外情況，及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。在自動(dòng)換刀時(shí)，若程序T 碼指令產(chǎn)生故障——T=0 或T＞7時(shí)則以報(bào)警信號(hào)的方式來(lái)進(jìn)行提示。

3.2 電動(dòng)刀架PLC控制

根據(jù)圖2 內(nèi)容，角度編碼器查找到的實(shí)際刀號(hào)所包含的信號(hào)地址分別為X2.1、X2.2、X2.3[2]。X2.6 展現(xiàn)的是任一轉(zhuǎn)達(dá)選通輸入信號(hào)就接通的地址。在地址D302 借助NUME 指令（常數(shù)指令）寫(xiě)入當(dāng)前刀架的實(shí)際位置，再將其進(jìn)行判別。當(dāng)前刀號(hào)的位置與PLC 應(yīng)用程序選擇的換刀位置通過(guò)判別指令進(jìn)行判斷，若數(shù)值相同說(shuō)明換刀位置與當(dāng)前位置一致；倘若數(shù)值存在差異，則要進(jìn)行分度控制?？筛鶕?jù)數(shù)字0和7進(jìn)行操作評(píng)判指令和比較指令的對(duì)比，若PLC 應(yīng)用程序呈現(xiàn)出T碼=0或T碼＞7的狀況，則說(shuō)明程序T碼出現(xiàn)了故障，需停止分度操作。倘若T 碼和實(shí)際刀號(hào)具有差異性，PLC應(yīng)用程序則會(huì)下發(fā)分度指令，繼電器R0.3=1，刀架電動(dòng)機(jī)呈現(xiàn)正轉(zhuǎn)態(tài)勢(shì)，此時(shí)輸入繼電器Y2.4=1。通蝸桿蝸輪開(kāi)始傳動(dòng)，刀盤(pán)轉(zhuǎn)位則需對(duì)凸輪進(jìn)行松開(kāi)操作，這時(shí)，X2.1、X2.2、X2.3 分別代表角度編碼器的轉(zhuǎn)位信號(hào)，刀架變換到指定換到位置后，系統(tǒng)就會(huì)下發(fā)判斷一致性的命令，此時(shí)COIN 信號(hào)R0.0=1 以及刀架分度到位信號(hào)也就是繼電器R0.4=1。定時(shí)器TMR01=50 ms，刀架電動(dòng)機(jī)則會(huì)對(duì)Y2.4信號(hào)進(jìn)行阻斷，對(duì)定時(shí)器02下達(dá)反轉(zhuǎn)運(yùn)行指令，延時(shí)之后系統(tǒng)下達(dá)刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)指令同時(shí)輸出Y2.5 信號(hào)，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始反轉(zhuǎn)定位，對(duì)凸輪展開(kāi)鎖緊的同時(shí)下達(dá)刀架鎖緊到位信號(hào)（X2.5），在反轉(zhuǎn)后對(duì)定時(shí)器03的延時(shí)命令進(jìn)行終止，TMR03=0.6 s，下達(dá)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)停止信號(hào)（R0.7=1），對(duì)刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)輸出信號(hào)Y2.5 進(jìn)行阻斷。刀架鎖緊到位時(shí)發(fā)出的信號(hào)（X2.5）連接到PLC 應(yīng)用程序完成T 輔助功能，R1.1=1。順利實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀控制之后，系統(tǒng)對(duì)信號(hào)G4.3=1 的命令終止，對(duì)刀架分度指令R0.3 展開(kāi)阻斷。在換刀時(shí)，出現(xiàn)以下信號(hào)要立即停止操作：TMR04 代表超時(shí)，X2.4代表電動(dòng)機(jī)過(guò)載而引起的溫度升高，X2.7代表斷路器QF1故障。

3.3 電動(dòng)刀架的調(diào)試

3.3.1 刀架預(yù)緊力超標(biāo)

施工過(guò)程中若是使用扳手來(lái)松動(dòng)蝸桿端部，必須使用很大的力氣才能成功轉(zhuǎn)動(dòng)蝸桿，如果夾緊后的刀架無(wú)法用于后續(xù)施工之中，很有可能是由于具體增加的預(yù)緊力未在標(biāo)準(zhǔn)限制之內(nèi)。面對(duì)這一問(wèn)題的有效解決方式則是適當(dāng)調(diào)低刀架電機(jī)、加緊電流。

3.3.2 刀架內(nèi)部機(jī)械卡死

若旋轉(zhuǎn)導(dǎo)架中的蝸桿不能順利轉(zhuǎn)動(dòng)，極有可能是因?yàn)闄C(jī)械卡死的原因。為解決這一問(wèn)題，第一，要對(duì)螺母的鎖死狀況進(jìn)行觀察，倘若螺母呈現(xiàn)鎖死態(tài)勢(shì)，則需及時(shí)展開(kāi)修復(fù)；第二，對(duì)夾緊設(shè)備的反靠定位銷在反靠棘輪槽中的位置進(jìn)行判斷，如果恰好處于槽內(nèi)，則要對(duì)反靠棘輪的角度進(jìn)行變動(dòng)，實(shí)行打孔操作，確保其和螺桿連接銷孔良好的結(jié)合；第三，工作人員對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)判，若確實(shí)由于潤(rùn)滑系統(tǒng)的質(zhì)量問(wèn)題，則應(yīng)對(duì)具體原因進(jìn)行考察并對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)。

3.3.3 電源連接不上，電機(jī)無(wú)法工作

遇到這一問(wèn)題應(yīng)先對(duì)線路進(jìn)行檢查，觀察電源開(kāi)關(guān)是否通電，開(kāi)關(guān)位置是否擺放正確。若呈現(xiàn)出電源順利接通、電機(jī)反轉(zhuǎn)的狀況，則表示電機(jī)相序接反，操作人員應(yīng)及時(shí)監(jiān)測(cè)和整理線路的變換相序。

4 常見(jiàn)故障及排除方法

考慮到電動(dòng)刀架對(duì)整個(gè)數(shù)控車床的工作來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，承擔(dān)著非常核心的功能，極易出現(xiàn)損壞，且刀架運(yùn)行狀況將直接影響到整個(gè)機(jī)床的工作狀態(tài)，極有可能拉低生產(chǎn)效率。為此，該研究整理和歸納出具體操作過(guò)程中的常見(jiàn)問(wèn)題。

（1）隨意下達(dá)換刀指令，刀架呈現(xiàn)出不斷轉(zhuǎn)動(dòng)的狀況[5-6]。無(wú)論系統(tǒng)做出何種換刀指令的時(shí)候，刀架均維持高速旋轉(zhuǎn)，此時(shí)表明刀架只能接收到換刀的提示，無(wú)法接受其他信號(hào)指示，進(jìn)而表明系統(tǒng)中霍爾元件無(wú)法正常工作，經(jīng)檢測(cè)，霍爾元件并無(wú)故障、電源能夠照常工作，所有接線完全正確。

（2）在換刀時(shí)，系統(tǒng)停止工作。根據(jù)數(shù)控車床的要求，刀架的熱保護(hù)繼電器常閉信號(hào)大多存在于急停回路之中，倘若出現(xiàn)刀架反轉(zhuǎn)、卡死或缺相等狀況，電流則會(huì)迅速上升，熱保護(hù)繼電器也難以運(yùn)行，發(fā)出急停報(bào)警，接收到信號(hào)后，機(jī)床將暫停工作，此時(shí)無(wú)法成功換刀。待工作人員檢查校正所有線路之后，將線路全部調(diào)整無(wú)誤，刀架才能恢復(fù)工作。

（3）當(dāng)電動(dòng)刀架鎖無(wú)法擰緊的時(shí)候，可通過(guò)以下幾大方法進(jìn)行處理：①倘若反鎖時(shí)間過(guò)短，則需將系統(tǒng)反鎖時(shí)間參數(shù)設(shè)置在1.2～1.3 s的限制之內(nèi)；②對(duì)刀架電機(jī)正反轉(zhuǎn)接觸器的接線狀況展開(kāi)全面監(jiān)測(cè)；③在機(jī)械鎖緊機(jī)構(gòu)產(chǎn)生問(wèn)題時(shí)，應(yīng)對(duì)整個(gè)刀架進(jìn)行拆卸，并對(duì)傳動(dòng)銷的折斷情況、蝸輪蝸桿表層的損害狀況進(jìn)行考察和梳理，仔細(xì)檢驗(yàn)中軸是否出現(xiàn)了斷裂，根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)更換磨損嚴(yán)重的機(jī)械構(gòu)件。

（4）未能有效進(jìn)行刀臺(tái)換到位或過(guò)沖太大。究其原因，在于機(jī)械傳動(dòng)停止運(yùn)行、電機(jī)難以反轉(zhuǎn)或發(fā)信盤(pán)位置偏差等，為有效處理這一問(wèn)題，應(yīng)先把刀架上的霍爾元件與磁鋼連接上，確保刀位無(wú)誤。

5 結(jié)語(yǔ)

數(shù)控車床的發(fā)展得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)，在數(shù)控車床上應(yīng)用電動(dòng)刀架提高了工作效率。為此，對(duì)電動(dòng)刀架的PLC編程設(shè)計(jì)展開(kāi)探究是十分關(guān)鍵的。該文基于數(shù)控機(jī)床自動(dòng)換刀裝置的基本介紹后，從自動(dòng)換刀裝置選用刀架、電機(jī)控制、車床刀架控制對(duì)PLC應(yīng)用程序的調(diào)試方法進(jìn)行了介紹，以期為后續(xù)研究提供借鑒。