淺談基于PLC 的刀庫自動換刀控制系統設計

蔣繼紅1，殷紅梅1，劉曉宇1，朱洪亮2

（1.江蘇電子信息職業學院；江蘇 淮安 223003；2.漣水思麥柯動力機械有限公司；江蘇 淮安 223400）

據統計，在入世貿組織的20 年間，我國向海外輸送了近60 萬臺帶有自動換刀功能的CNC 機床，對拉動GDP 增長和制造業發展發揮了巨大作用。自動換刀刀庫與機械制造業密不可分，隨著科學技術的發展，以高品質、高效率的機械裝置逐漸取代了常規的機床，自動化生產裝備的技術水平也在不斷地提升，這給機械制造業帶來了很大的挑戰與機會。

目前，由于數控加工中心的刀庫刀具種類比較多，它可以實現比較復雜的工件，所以它的應用范圍也變得越來越廣。不過，實際生產活動中，刀庫選刀時存在的問題也是十分廣泛的，問題的存在也給設備質量帶來了極大的困擾，希望可以給設備的保養與維護一些理論依據。本研究重點是根據江蘇德速智能工具公司的ADKY 圓盤系列(BT40)刀庫，開發了一個可以精確選定刀具部位，并在該刀庫上實現速度轉換的圓盤刀庫的控制器。

1 刀庫自動換刀機械系統的基本原理

自動換刀裝置是一種以ATC電機，雙爪機械手、氣缸、活塞桿、定位刀套、刀盤等為主要部件的裝置。其工作原理為接受指令，電機驅動，選擇下一次要加工的刀具，并在機械手的控制下，將刀具送至心軸。刀庫具有自動更換刀具和存儲刀具的功能，可根據需要對刀具進行加工，如銑、鉆、切絲、攻絲等。這樣可以縮短工作時間，節約開支。刀庫與換刀機器人要共存，沒有刀庫，就不能提前備好所需的刀具，沒有換刀機器人，就不能進行換刀。

刀具庫房中的刀具自動更換控制系統，實現了刀具的移動，刀套的翻轉，機械臂的更換。刀庫中刀具自動更換的基本工作流程如下：數控系統接收刀具更換命令，用馬達將刀具庫正向和反向選擇指定刀具號碼，圓筒推進刀杯90°豎直向下，同一時間，將主軸提升到刀具更換的參照點，并對錠子進行定位。此時，機械臂將進行換刀，該換刀動作如下：（1）機械手旋轉夾持庫刀和主軸刀；（2）從主軸刀柄上抽出180mm 的刀具庫刀柄；（3）操作臂180°的轉動；（4）機器人抬起180mm 的高度，把刀柄和心軸一起放進刀具庫里；（5）機械手對齊。

2 PLC 控制系統要求

在制造過程中，對一個零件進行加工時，常常不是一次就能完成，而是要經過多次的加工才能完成。而無論是普通的還是普通的機床，哪怕是只有一種功能的數控機床，也只能完成一種工藝。在整個加工過程中，花費的時間最多的就是更換刀具，但是，現在自動化水平越來越高，手工更換刀具已經嚴重地影響了生產的效率，因此，在加工中，自動更換刀具系統的作用是非常重要的。本設計就是為這種情況而設計的，其具體要求如下。

（1）通過自動切換系統的指令，可程控器自動選取最接近的切換路徑，使刀具庫自動旋轉。（2）待要用的刀片移至機器人拿刀處時，刀庫停止旋轉，自動比對當前刀片的編號和位置，若對，則選擇的刀片翻過來，機器人就可以隨時更換刀片；如果是錯的，那么機器就會自動停下來。（3）通過程控系統的指令，驅動自動切換馬達，使機械臂進行切換。（4）當機械臂運動至取刀位時，停止動作，程序控制系統收到指令后，自動切換馬達停止，機械臂取回刀具。（5）機械臂取出刀具后，由程控裝置再一次發出指令，機械臂繼續旋轉，旋轉至設定位置后，機械臂停止旋轉。（6）當機械臂旋轉至心軸時，程控器收到指令，自動切換馬達停止，機械臂插入刀具。（7）機械臂進行刀具的切換動作，完成了主軸刀具的切換。

當可程控器發出指令時，機械手就會動作，當動作到達設定的位置時，可程控器就會收到訊號，讓自動切換馬達停止，機械手就會停留在起始位置，從而完成切換。

3 硬件電路設計

3.1 電源電路

圖1 顯示了控制系統的供電線路，電源為AC 380 伏，AC 380 伏到AC220 伏的變換要求用一臺絕緣變壓器，再經過電閘，設計用來預防電擊，并且增強了抗干擾性。這個系統是用一個程序控制裝置來控制的，它的輸入和輸出電路都是DC24V，并選用AC220V/DC24V 的直流電壓調節器，該穩壓器為S-150-24V。電源指示燈會發出警告信號，當燈會亮時，表示目前已接通。

圖1 電源接線圖

3.2 控制系統的電路設計

為了方便繪制PLC 接線圖和編寫PLC 程序，將每個輸入/輸出設備與PLC 的輸入/輸出點相對應。

3.2.1 PLC 的IO 接線

在這個設計里，首先設計了已有的PLC 的輸入點和輸出點，接下來，按照目前的項目流程需求，為目前的設備設置了特定的PLC 連接線，在程序設計中，這樣就可以更清楚地看到當前設備的輸入點和輸出點。

3.2.2 電機接線

三相電機運轉時，裝置的工作部件，必須使用三相電源，而且還會出問題，此時，若在裝置的進電線上加裝一組防風開關，那么在電動機發生故障的時候，而不會影響其他部件的工作，對現有設備馬達進行保護。三相電源通過交流保護空氣開關的上端進入后，把它的下端頭和AC 接觸器的上端頭連接起來，當220V 的電力供應完畢后。電動機在PLC 的控制下運轉，在接觸器繞組通電和常開度連接處，電動機就能正常運轉。

4 控制系統的程序設計

4.1 程序主流程圖

按照設計要求，本文給出了該控制系統的主要程序流程圖，如圖2 所示。

圖2 程序主流程圖

4.2 控制系統程序設計

4.2.1 選擇刀號傳送程序

如圖3 中所示，如果輸入繼電器X4 被打開，則此時，它將目前的位置2 傳遞給數據寄存器地址D100，以執行隨后的目前的程序比較。

4.2.2 當前刀號位置傳送程序

如圖4 所示，在程序在向網絡72 自動執行時，程序會自動判斷輸入繼電器X14 的狀態，如果接受了這個任務，PLC 將常數2 自動轉移到了目前的數據寄存器D102 上，在同一時間內，輸入繼電器X15 被激活，此時，數據寄存器常數3 也被轉移到了數據寄存器D102 中。

圖4 刀庫位置傳送程序

圖5 故障指示燈

4.2.3 電機正反轉判斷程序

在程序開始的時候，要判斷所選刀具編號D100 和當前刀具編號D102 的尺寸，當D100 大于D102 時，M10表示，把它打開，并計算其差異，然后把它放到D300的數據寄存器里，再次判定D300 中的數據是否大于4，要是電機的話，然后執行一個逆向的操作，當D102 大于D100 時，M12 表示，在各種情況下，這將會產生非常不同的結果，結合刀庫中的刀具選擇，根據當前刀與目標刀的最短距離計算，來選擇刀具庫的正反兩面旋轉，實現了快速選擇刀具的目標。

4.2.4 機械手氣缸工作程序

在副繼電器M1 的作用下，刀罩及機器人豎直圓柱形電磁閥啟動，從而實現刀罩的翻轉及機器人的豎直運動。當兩個人都走到了正確的位置，按下了極限開關，機器人就會從刀庫里拿出一把刀來。4s 后，機器人開始夾緊2s，然后開始反向，放松2s，等待主軸取刀，然后正轉回起始位置，刀套和機器人返回原位。

4.2.5 故障指示燈

如圖9 所示，M1 開啟，意味著選擇的刀號與目標刀號重合，刀片止動，在準備更換刀具的時候，當刀套翻轉以及機械臂液壓缸的推桿在10s 內沒有觸碰到極限開關時，這時，故障顯示燈亮起，提示員工機器出現故障。

4.3 程序設計

轉刀裝置的基礎工作是轉刀。刀鞘的倒扣，就是用來抓刀的。刀套翻轉的過程是：在PLC 的控制下，通過電磁閥的開關，帶動氣缸中的活塞旋轉，因為活塞桿連接到機器手臂的構造刀套上，這樣，活塞的移動就能使刀片翻過來。在汽缸上安裝了兩個固定開關，用來檢測汽缸中活塞的位置。由此判斷刀鞘有沒有被徹底翻轉過來。PLC 根據定位切換信號決定是否進行切換動作。根據這一步，結合系統的控制流程，編制了控制系統的梯形圖。

5 結語

本文基于可編程控制器，設計了一種基于可編程控制器的刀庫自動換刀控制系統，詳細闡述了該系統的工作原理，并進行了硬件電路的設計、可編程控制器的編程、組態軟件的設計與調試以及組態仿真軟件的運行調試，實現了快速高效的換刀，大大提高了 CNC 加工的效率。下面是從功能測試中得出的結論：

（1）優化了刀庫房自動化更換的控制邏輯，使刀具的選擇和位置更加準確，縮短更換時間，在運行中避免了一些低級的失誤；（2）本實用新型具有很好的適應性，尤其適用于多道工序，需要不斷地更換刀具的復雜工件，可減少因多次更換而引起的誤差，從而提高了加工精度；（3）該系統具有操作簡便、造價低廉、易于維護、組態接口好、工作穩定性好、抗干擾性強等優點。