論數控加工智能控制系統(tǒng)的研制

摘 要：隨著經濟的發(fā)展和科技的進步，數控加工技術獲得了長足的進步和廣泛的應用。以數控加工中心自動換刀技術為例，為了解決數控加工中心自動換刀技術在使用過程中出現的速度慢、穩(wěn)定性能低以及控制系統(tǒng)編程復雜等一系列問題，文章著重對數控加工和加工中心自動換刀功能進行概述，描述了刀庫的結構、換刀的動作以及PLC程序的開發(fā)和應用，具有很大的現實意義。

關鍵詞：數控加工；智能化；控制系統(tǒng)；加工中心；換刀

1 概述

目前，數控加工中心大量使用的換刀方式是通過使用刀庫實現的。獨立的刀庫不僅可以增加刀具的儲蓄數量，擴大機床的功能，還可以減少影響加工精確度的各種因素。數控加工中心經常使用的刀庫種類有鏈式刀庫和盤式刀庫，按照刀庫換刀過程中是否有機械手參與，可以將刀庫換刀的方式分為機械手換刀和無機械手換刀。數控加工自動換刀系統(tǒng)的核心部分是可編輯邏輯控制器（PLC）。PLC以及單片機在國內被廣泛的引用，這兩種控制器各自具有優(yōu)缺點，PLC的控制程序編寫復雜，而單片機控制電路的搭建比較復雜。

2 數控加工和加工中心自動換刀功能概述

數控加工作為一種利用數控機床進行零件加工的工藝方法，從總體上與傳統(tǒng)機床加工工藝規(guī)程是一致的，但是也存在著明顯的變化。利用數字信息進行零件控制和刀具位移可以解決零件的種類多、數量少、結構復雜以及精確度高的問題，是實現數控自動化加工和數控加工高效化的有效途徑。

在數控加工技術中，自動換刀功能作為數控加工中心的基本功能之一，主要依靠自動化換刀裝置實現換刀的功能。ATC的投資在數控加工中心上占整個機器的一半，因此，刀庫容量以及工作質量受到用戶們的高度重視。如圖1a）所示的帶刀庫的ATC，它是由刀具交換機和刀庫組合而成的，并且刀具的交換主要是靠刀具間的相對運動以及主軸實現的，在換刀的過程中需要先把主軸上的刀具送回到刀庫，然后再將新的刀具從刀庫中取出來，用這種方式進行換刀所用的時間很長，因為這兩個動作不能夠同時進行。圖1b）所示的加工中心在完成刀具交換時主要是靠環(huán)刀機械手完成的，因為換刀機械手換刀具有很大的靈活性，可以大大的減少換刀的時間，所以這種換刀的方式應用十分廣泛。

目前，記憶式任選換刀方式可以把刀具的編號和刀庫中刀套所在的位置在相對應的數控系統(tǒng)中進行記憶，可以實現任意追蹤和任意取送，所以在當今被廣泛地使用。

3 刀庫的結構以及換刀的動作

DEX-a402自動換刀機構如圖2所示，它主要是由凸輪、刀臂電機、刀臂、刀杯、刀庫電機、剎車、原點訊號以及松夾刀構成。

步進電機驅動刀臂完成動作，分四個步驟完成換刀。通過自動換刀機構中的凸輪對刀臂的正反轉進行控制，實現刀臂電機單方向的旋轉，這種驅動的方式使刀臂旋轉角度的精確度得以提高，也對電機的控制進行了簡化。圖3為刀臂運動的流程圖。

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，完成將刀庫上事先指定的刀具轉到換刀的位置。ATC按照t指令和來自刀庫信息給出的命令，通過控制系統(tǒng)來決定刀庫旋轉的方向以及要求的步數等，可以采用機械隨機控制和記憶模式隨機控制兩種方式來實現。機械隨機控制模式控制每把刀與各自的刀套相對應，在主軸和到庫之間采用“中間刀套”的方式提供換刀。與機械隨機控制模式相比較，記憶模式隨機控制方式主要是采用指針將刀庫旋轉的位置給指出來，而刀具與刀套的位置不是相對應的，記憶模式隨機控制方式比較可靠迅速。換刀控制方式的選擇主要是根據刀庫機械的機構進行的，下面的換刀方式是一種浮動指針系統(tǒng)的換刀方式，用戶們通過T指令，將刀號確定，系統(tǒng)會自動進行譯碼，譯碼完成后會在浮針指定的內存中找出相對應的刀具編號，然后通過系統(tǒng)專用的指令對刀庫旋轉的方向以及旋轉的距離進行判斷，等到刀庫旋轉到指定的刀具位置之后就完成了選刀動作。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PLC中的內部繼電器，之后用戶們會根據動作的要求進行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刀庫初始化以及M19主軸定位等組成。Servo Works CNC可以將數控的編制程序進行簡化，使用機床運動程序將它們集合到一個指令中去，系統(tǒng)的內部會指定例如快進、直線進給以及圓弧插補等儲存移動指令存儲到系統(tǒng)變量中去。

5 可編輯邏輯控制器（PLC）程序的開發(fā)和應用

5.1 PLC刀庫選刀的程序

基于選刀流程中的自動換刀指令主要包括刀具號搜索指令、旋轉方向和距離的計算指令以及刀庫旋轉刀位的計數指令。DEX-a402的刀庫所能夠承受的刀具數量為24把，圖5為刀庫選刀的PLC程序圖。如程序中所示，刀具號搜索指令在D20開始的二十五個儲存單元中尋找與存儲目標刀數號內容相同的地址，并將它們存儲到R280中去；旋轉方向和距離計算指令對R290與C2的方向以及步距進行實時地計算，然后通過R283進行距離儲存，通過R203.6進行旋轉方向的儲存；刀庫旋轉刀位計數指令完成C2的計數，C2的增減計數由R960.3決定，刀杯技術信號由R200.4決定。

5.2 PLC刀臂換刀程序

刀臂的旋轉動作是通過PLC換刀程序實現的。凸輪在刀臂電機的帶動下控制自動換刀機構中的刀臂進行運動，剎車信號、原點信號、松夾刀信號都是通過機構配備的剎車訊號提供的，通過這些訊號進行剎車位置的編寫。圖6為換刀PLC程序，其中位置1對應的是原點的位置，位置2對應的是刀臂正轉六十度的位置，位置3對應的是刀臂正轉一百八十度的位置。

5.3 存儲單元刀號的互換

數控加工自動換刀作為一個隨機連續(xù)的過程，需要在完成換刀之后將儲存單元中的內容進行修改以保證下次有效進行換刀。所謂存儲單元刀號的互換，主要是在中間存儲器的過渡下，將主軸刀號與當前刀杯號的對應杯號進行互換。

6 結束語

綜上所述，隨著經濟的增長和科技的進步，PLC系統(tǒng)的自動換刀技術與傳統(tǒng)的自動換刀技術相比較，在數控加工中心換刀系統(tǒng)的編程以及維修維護難度方面都有了很大程度上的簡化，在此基礎上與智能化技術相結合可以使整個換刀過程更加地迅速和準確，促進了PLC系統(tǒng)自動換刀技術的研究應用和經濟的發(fā)展。

參考文獻

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作者簡介：陳輝雄（1963-），男，廣東汕頭人，汕頭市職業(yè)技能鑒定指導中心機械工程師，研究方向為機械數控加工中心技術。