基于PLC的刀庫自動換刀控制系統設計

王蕊 張孝元 高昆 王琪

摘要 本文針對圓盤刀庫的機械手自動換刀控制系統，利用可編程控制器，實現了圓盤刀庫轉動選刀，刀套翻轉送刀，以及機械手旋轉換刀過程的自動控制。本文著重介紹了刀庫自動換刀控制系統的基本結構和工作原理以及控制系統的硬件配置和軟件設計。運用新設計的換刀系統，加快原有的換刀速度，提高加工中心的工作效率。實踐后證明，新的換刀系統結構完整，動作迅速并且支持擴展，各個機構可以做到控制要求的動作，完全滿足加工中心的需求。

【關鍵詞】圓盤刀庫 PLC 自動換刀 機械手

現今的數控加工中心被廣泛的應用于各個領域，大多也都配置了自動換刀系統，但部分還沒有添加換刀機械手，所以換刀速度導致加工中心的效率不是很高。因此本文重新設計了基于PLC的自動換刀系統，并增加換刀機械手，以此來提高換刀速度，從而減少加工時間，提高加工中心的工作效率。

1 刀庫自動換刀系統的基本結構

此次課題的研究對象是皖南立式加工中心VMC1000L的自動換刀裝置，其刀庫屬于圓盤式刀庫結構，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，換刀時間在10-30S之間。

自動換刀系統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，系統分別由機械手（結構如圖3所示）、驅動系統和刀庫等構成。系統在數控加工中心的控制下來執行選刀和換刀的自動操作，在這一過程特別容易出現故障，所以必須要按嚴格標準的邏輯與行動順序來使各個機構的行動相互協調。由于在數控加工中心中，自動換刀系統是重要組成部分之一，所以可以說它的效率就是機床的加工效率。本文研究的是數控加工中心的圓盤刀庫以及機械手換刀，在系統的硬件、換刀時的行動順序及軟件編程方面進行了主要的研究分析，了解了國際上當今和傳統的自動換刀系統，然后設計了以可編程控制系統為主的適合于數控加工中心的圓盤刀庫機械手換刀系統自動換刀系統。

2 刀庫自動換刀系統的工作原理

自動換刀系統在換刀時，需要機械手和圓盤刀庫的緊密配合，如果機械手和刀庫配合失誤，則換刀行動不成功。所以自動換刀時每個部件的行動順序需要互相協調且互不影響，由此就需要換刀程序有以下行動順序：

首先設定刀具后圓盤刀庫旋轉剄位，刀套翻轉，機械手旋轉同時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到機械手換刀位置，機械手旋轉180度同時將刀插入刀庫和主軸上，之后機械手復位，由此換刀完成，主軸開始繼續工作。

3 PLC控制系統要求

在我們生產加工一個零件的時候，往往不能一次加工完成，需要多個工序來完成加工。而在一般的或者是普通的機床中都是只能完成單個工序的加工，即使是功能單一的數控機床也是如此。在加工過程中最大量的時間是花在了換刀上，而當今社會自動化程度越來越高超，手動的換刀已經大大的影響了生產的效率，可以說自動的換刀系統的作用在加工中已經是刻不容緩。本次設計就是針對此種情況對自動刀庫的控制系統進行設計，具體要求如下：

（1）由自動換刀系統發出命令，然后可編程控制器自動選擇最近的換刀路線，刀庫轉動。

（2）即將使用的刀具轉到機械手取刀的位置，刀庫停止轉動，自動比較當前刀具標號與位置，如果正確，所選刀具刀套翻轉，機械手準備換刀;若果錯誤，機器自動停止。

（3）可編程控制器發出命令，自動換刀電機啟動，機械手移動準備換刀

（4）機械手移動到取刀位置停止，可編程控制器接受信號，自動換刀電機停止，機械手取刀。

（5）機械手取刀后，可編程控制器再次發出命令，機械手轉動，當機械手轉動到指定位置后停止。

（6）機械手轉動到主軸位置后，可編程控制器接受信號，自動換刀電機停止，機械手插刀。

（7）機械手執行換刀行動并結束，主軸刀具更換完成。

可編程控制器發出命令，機械手移動，移動到指定位置后，可編程控制器接受信號，自動換刀電機停止，機械手停在開始的位置，自動換刀完成。如圖4所示。

4 控制系統硬件設計

4.1 選配PLC型號

PLC是整個系統的核心部分，它的選型是尤為重要的。在明確控制的任務和要求的前提下，根據PLC結構、估算輸入輸出點數、存儲器所需要的容量、確定其特性等方面的因素，選擇性價比較高的PLC來進行實驗。

據估算，本文所需的輸入點數為9點，輸出點數為14點。

存儲容量的計算：（15x9+lOx14+2x2+300）x130%=752.7B

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

4. 2自動刀庫的控制系統的輸入/輸出分配表

控制系統的輸入/輸出分配表如表1所示。

4.3 自動刀庫的控制系統的端子接線圖

控制系統的端子接線圖如圖5所示。

5 控制系統軟件設計

5.1 系統控制流程圖

系統控制流程圖如圖6所示。

5.2 程序設計

刀具的換刀裝置的根本任務是實現刀套翻轉和刀具轉換這兩個過程。刀套翻轉主要是為機械手抓取刀具做好準備。刀套翻轉的具體步驟如下.首先PLC掌控電磁閥的開通和閉合，然后使氣缸內的活塞進行運轉，其中活塞桿和刀套相互連接，所以活塞的運動能使刀套進行翻轉。與此同時位于氣缸上設置有兩個位置開關，用來檢查氣缸內活塞的方位，這樣就可以確定刀套是否已經完成翻轉。PLC依據位置開關信號來確定能否運行換刀操作。結合系統控制流程圖和此步驟，編寫出控制系統梯形圖。

5.3 調試與修改

本次設計所作出的梯形圖為了滿足系統的需要，使其方便、快捷、靈敏的實現刀具的轉換，經過現場測試，記錄每次選刀換刀操作的系統運轉情況，對不合理或者是沒有達到要求的程序段進行修改，使其更加完善，最終形成的梯形圖能夠達到此次設計的所有要求。

6 總結

本文從換刀系統的結構入手，完成了對立式加工中心刀庫自動換刀控制系統的硬件和軟件兩方面的設計，使得每次的換刀周期明顯提高，旋轉定位精準度提高，實現了高速高效的換刀，且大大減少了操作過程中的誤差。并通過實踐證明，在數控加工中心配置該控制系統，使得工序較為集中，特別是在加工復雜零部件過程中，它的作用尤為顯著，在做到多個工序連續換刀的同時，也大大提高了加工過程中的精準度，減小了反復安裝造成的定位誤差，并且，由于其制造費用較低，維護簡單方便，特別適用于現代新型的中小型企業。

參考文獻

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