基于PLC的鏈式伺服刀庫控制系統研究

張躍明，孫 慶，楊伯金

（北京工業大學 機械工程與應用電子技術學院，北京 100124）

0 引言

刀庫及自動換刀裝置作為加工中心的重要組成部分，可使工件在一次裝夾后完成多工序加工，可有效降低因多次裝夾工件引起的誤差[1]。當加工過程中需要更換儲存在刀庫中的刀具時，自動換刀系統將目標刀具與主軸上的刀具進行更換。在換刀過程中，各機構必須嚴格按照邏輯順序進行動作，避免發生故障。本系統是在內蒙古呼和浩特眾環公司生產的BT50-32L型鏈式刀庫的基礎上進行開發的，介紹對自動換刀系統的換刀動作時序分析、硬件選型和PLC程序編寫的研究，設計完成了以PLC為控制核心的自動換刀系統。

1 自動換刀系統總體機構設計

由于編程軟件操作簡單并根據輸入輸出I/O點數和控制功能的選擇,此自動換刀系統選用三菱FX1N-40MT型PLC。本系統其他主要元器件有：伺服驅動器、伺服電機、凸輪機構、變頻器、ATC電機、機械手、氣泵、氣缸和電磁閥等，主要完成的動作有：PLC向伺服驅動器發出脈沖信號，控制伺服電機運動，通過圓柱分度凸輪旋轉帶動鏈式刀庫運動，完成選刀動作；PLC控制繼電器的通斷繼而控制電磁閥工作，使氣缸活塞帶動刀套運動，完成刀套翻轉動作；PLC控制變頻器使ATC電機轉動，帶動機械手完成換刀動作。自動換刀系統的總體結構如圖1所示。

圖1 自動換刀系統總體結構

2 自動換刀系統邏輯順序控制分析

2.1 換刀過程動作時序

整個換刀過程必須嚴格按照特定的次序進行，主要由刀盤轉動、刀套翻轉和機械手旋轉三部分動作組成。如果次序一旦出錯，各機構之間會發生干涉，造成不良后果，甚至機器損壞[2]，故本系統設計了鏈式刀庫換刀過程的動作時序圖如圖2所示。

圖2 換刀過程動作時序圖

1）按下開始按鈕，在控制面板中輸入目標刀號，控制系統發出換刀指令1，PLC執行就近換刀程序，向伺服驅動器發送脈沖信號，控制伺服電機轉動；

2）目標刀具到達換刀位置，伺服電機停止轉動。刀庫計數值與刀位移動值對比，若數值相同則執行下一步，否則報錯；

3）PLC發出刀套垂直指令3，水平電磁閥開關斷開，氣缸活塞桿通過與其相連的連桿和撥叉構件直接控制水平刀套翻轉[3]，當檢測到垂直磁性開關信號4時，刀套翻轉動作完成；

4）PLC向變頻器發出指令5，變頻器控制ATC電機轉動，換刀機械手開始順時針旋轉；

5）當PLC檢測到換刀機械手剎車反饋信號6時，ATC電機暫時停止轉動，機械手開始抓刀，接收到抓刀信號7斷開，同時主軸松刀[4]；

6）PLC發出旋轉換刀指令8，換刀機械手逆時針旋轉180°，檢測到剎車信號9時，ATC電機停止轉動，換刀機械手開始插刀，

當PLC檢測到插刀信號10時，主軸拉刀；

7）PLC發出原點指令11，機械手轉動。當PLC檢測到機械手原點復位信號13時，PLC發出刀套水平指令14，氣缸活塞桿運動，帶動刀套翻轉至水平位置，整個換刀過程完成。

2.2 就近換刀邏輯順序設計

自動換刀時間是衡量加工中心工作效率的一項重要指標。本系統為了節約換刀時間，設計了刀盤就近換刀程序：采用編碼的方式將刀盤中的32把刀進行號碼編排，然后放入32個刀套中，再對刀套進行編碼，刀具與刀套存在一一對應關系，當需要更換目標刀具b時，PLC通過邏輯運算與當前刀具a進行比較，算出最短路程。具體如圖3所示。

圖3 就近選刀邏輯順序圖

3 自動換刀系統硬件驅動設計

3.1 伺服刀庫硬件驅動設計

當系統選刀過程中，伺服驅動器接收到PLC發出的脈沖控制信號，控制伺服電機帶動分度凸輪轉動，進而帶動分度盤轉動，完成選刀過程。由于伺服系統中的伺服電機自帶編碼器，因此可實現系統的閉環控制，更加準確的完成選刀過程。根據分度盤最大轉速Vmax=30m/min，齒輪傳動比及減速器減速比計算可得：伺服電機轉速為1433r/min，電機最大功率1.12kw。綜上，本系統選用安川SGMGV-13ADC61型伺服電機，安川SGDV-120A01A型伺服驅動器。伺服刀庫電路設計圖如圖4所示。

圖4 伺服刀庫電路設計圖

此伺服驅動器采用位置控制模式，其中LF1為電源噪聲濾波器，避免三相電源中的高次諧波和噪聲干擾[5]。CN1部分與PLC相連，但為保證輸入電流在7mA～15mA之間，PULSE、SIGN和CLR端口應個串聯一個2.2kΩ的上拉電阻，CN2部分與伺服電機的編碼器相連，實現閉環控制。

3.2 換刀機械手硬件驅動設計

換刀機械手是加工中心實現自動換刀動作的重要操作部件，其作用是將目標刀具與當前刀具進行互換。根據機械手特定的工作任務，必須要求作為其驅動裝置的交流電機具有啟動平穩、制動快速和可以調速的功能。因此本系統選用FR-D720S-1.5K-CHT變頻器，使其驅動交流電機帶動機械手完成換刀動作。變頻器電路設計圖如圖5所示。

圖5 變頻器電路設計圖

其中L1、L2、L3為電源輸入端，U、V、W為輸出端，控制交流電機轉動。STF、STR為電機轉向控制端；RH、RM為電機轉速調節端。PLC通過繼電器與控制端相連，通過控制繼電器的通斷控制交流電機的轉向和轉速。

4 PLC程序設計

因選用三菱FX1N-40MT型PLC，故本系統采用GXDeveloperPLC編程軟件，支持FX系列PLC梯形圖、指令表、SFC等的編輯。該軟件具有梯形圖邏輯測試功能，可以不需要與PLC進行連接，便完成在線模擬測試[6]。通過梯形圖程序，操作簡單、容易理解。首先，進行程序初始化，即將程序中的一些重要參數恢復初始值。

就近選刀程序在本系統程序中占有重要地位。首先對當前刀套號碼D130和選用刀套號碼D131進行比較，將結果放入輔助繼電器M20中，然后將D130與D131的差值與16進行比較，根據比較結果，PLC做出相應的判斷，發出使電機正轉或反轉命令。

圖6 PLC梯形圖

PLC接收到相應的位置反饋信號后，繼續執行下一條程序，保證自動換刀系統有條不紊地工作，有利地提高系統穩定性。

5 結束語

本文詳細介紹了自動換刀系統選刀換刀過程、硬件選型和軟件設計。通過PLC編寫就近選刀程序，完成伺服刀庫選刀，通過控制變頻器達到機械手在換刀過程中的轉向、調速功能，為加工中心在生產加工過程中大大節約了時間成本。經過實驗證明，用PLC梯形圖編寫自動換刀程序，不僅簡單易懂，而且很大程度上提高了系統整體穩定性。基于PLC設計的自動換刀系統能夠較好地滿足數控加工中心對自動換刀裝置的要求。

[1] 林艷華.機械制造技術基礎[M].北京：化學工業出版社,2010,(4)：101-102.

[2] 官文.鏈式刀庫及自動換刀裝置的控制與檢測系統研究[D].北京：北京工業大學機械工程與應用電子技術學院,2012.

[3] 張躍明,鄧衛平,官文,楊宇,吳鈞,關耀東.鏈式刀庫的控制系統設計[J].組合機床與自動化加工技術,2012,(9)：56-58,62.

[4] 張國斌,楊伯金.圓盤刀庫自動換刀系統設計[J].機械制造,2014,(7)：76-79.

[5] 安川AC伺服驅動器∑-V系列用戶手冊[Z].安川電機有限公司,2007.

[6] 三菱通用FX系列編程手冊[Z].三菱電機自動化（上海）有限公司,2009.