1 引言

　　自動(dòng)換刀裝置是專(zhuān)門(mén)為大中型加工中心配套，實(shí)現(xiàn)刀具儲(chǔ)備及自動(dòng)交換功能的重要功能部件，是高檔加工中心和重型加工中心的重要組成部分”。自動(dòng)換刀裝置控制系統(tǒng)性能的好壞直接影響加工中心的性能。刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，而且換刀動(dòng)作較多；動(dòng)作的相互協(xié)調(diào)關(guān)系較多，復(fù)雜系數(shù)較高，容易發(fā)生故障。因此，刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置的控制便成為加工中心控制系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

2 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖，如圖1所示。該控制系統(tǒng)主要由人機(jī)界面、三菱小型PLC(FX1N-40MT)、伺服電機(jī)和氣缸組成，F(xiàn)X1N-40MT在自由口通信模式下工作時(shí)，利用CPU模塊的集成接口進(jìn)行通信四，CPU集成接口采用了PPI硬件規(guī)范，其接口為Rs485串口，利用RS-232RS-48S轉(zhuǎn)換器與帶有RS-232標(biāo)準(zhǔn)接口的人機(jī)界面連接進(jìn)行通信。刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置的控制主要包括：刀具運(yùn)動(dòng)的控制、刀套翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的控制、機(jī)械手換刀的控制。(1)刀具運(yùn)動(dòng)的控制：刀具的運(yùn)動(dòng)主要由伺服電機(jī)控制，同時(shí)利用接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)鏈條運(yùn)動(dòng)的信號(hào)，將信號(hào)反饋給PLC，繼而控制鏈條的運(yùn)動(dòng)和停止。接近開(kāi)關(guān)采用的是歐姆龍公司的E2G—M12KS02。(2)刀套翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的控制：刀套的翻轉(zhuǎn)主要由氣缸完成，其運(yùn)動(dòng)由PLC控制。PLc控制電磁閥的動(dòng)作，即氣缸的進(jìn)氣和排氣。在氣缸上安裝磁感應(yīng)開(kāi)關(guān)檢測(cè)氣缸中活塞的位置對(duì)眥進(jìn)行反饋。氣缸選用的是亞德客(AirTac)公司的標(biāo)準(zhǔn)型SC系列單作用氣缸SCl00×85-s-BJ345A，使用壓力范圍為(0.15-0.8)MPa；配套電磁閥為二位五通電磁閥4v220-08。磁感應(yīng)開(kāi)關(guān)選用的是某公司的CS-F。(3)機(jī)械手換刀的控制：機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)由電機(jī)和凸輪箱聯(lián)合控制，并由機(jī)械手位置反饋裝置檢測(cè)機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)信號(hào)；將旋轉(zhuǎn)信號(hào)反饋給PLC，PLC控制電機(jī)的作用繼而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的控制。

3 刀庫(kù)及機(jī)械手換刀過(guò)程的控制

　　3.1 刀具運(yùn)動(dòng)過(guò)程的控制

　　鏈?zhǔn)降稁?kù)刀具的運(yùn)動(dòng)由伺服電機(jī)控制，伺服電機(jī)帶動(dòng)圓柱分度凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，圓柱分度凸輪再帶動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)；凸輪旋轉(zhuǎn)一周鏈輪運(yùn)動(dòng)一個(gè)刀位。

　　3.1.1選刀過(guò)程分析

　　刀庫(kù)中存有32把刀具，分別置于1至32號(hào)刀座上。假設(shè)m號(hào)刀座上的刀具現(xiàn)在處于刀套翻轉(zhuǎn)位置，要求取n號(hào)刀座上的刀具(m和n是1至32之間的任意數(shù))。要正確取到n號(hào)刀座上的刀具，就必須正確判斷電機(jī)的轉(zhuǎn)向和正確記憶經(jīng)過(guò)刀套翻轉(zhuǎn)位置的刀座號(hào)。刀具選擇的流程圖，如圖2所示。

　　(1)當(dāng)｜m-n｜≦16時(shí)。如果m>n，則刀庫(kù)順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)｜m-n｜個(gè)刀位；如果m<n則刀庫(kù)逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)｜m-n｜個(gè)刀位。　　(2)當(dāng)｜m-n｜>16時(shí)。如果m撕，則刀庫(kù)逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)｜m-n｜個(gè)刀位；如果m<n則刀庫(kù)順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)32-｜m-n｜個(gè)刀位。

　　3.1.2刀具的定位

　　刀庫(kù)的定位檢測(cè)裝置，如圖3所示。在圓柱分度凸輪的軸的下方安裝一個(gè)1/4圓弧形鐵板，鐵板上方安裝兩個(gè)光電開(kāi)關(guān)。當(dāng)伺服電機(jī)帶動(dòng)圓柱分度凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，圓弧形鐵板和分度凸輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)光電開(kāi)關(guān)能夠檢測(cè)到圓弧形鐵板的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)。

　　刀具定位的部分程序圖，如圖4所示。Y2為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向信號(hào)，Y4為電機(jī)的使能信號(hào)，X3為右側(cè)光電開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)，如圖3所示。以為左側(cè)光電開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)。當(dāng)圓柱凸輪正轉(zhuǎn)時(shí)，第5步開(kāi)始執(zhí)行；Y2和Y4接通，光電開(kāi)關(guān)X3感應(yīng)到圓弧鐵板的信號(hào)，PLC的內(nèi)部計(jì)數(shù)器c0開(kāi)始計(jì)數(shù)；直到計(jì)數(shù)器的值等于數(shù)據(jù)寄存器Dl時(shí)C0導(dǎo)通。當(dāng)圓柱凸輪反轉(zhuǎn)時(shí)，第12步開(kāi)始執(zhí)行。C0或C1導(dǎo)通時(shí)程序第19步執(zhí)行，PLC內(nèi)部的特殊輔助繼電器M8145導(dǎo)通。PLC禁止Y0輸出高速脈沖，電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)。

　　3.2 刀套翻轉(zhuǎn)及機(jī)械手換刀的控制

　　通過(guò)鏈條完成刀具的定位以后。則需將刀庫(kù)中的刀具和機(jī)床主軸上的刀具進(jìn)行交換。整個(gè)過(guò)程由氣缸和機(jī)械手完成。在鏈條背后，整個(gè)刀庫(kù)中間偏前的位置上固定&mdash;個(gè)專(zhuān)用于刀套翻轉(zhuǎn)的直線(xiàn)往復(fù)氣缸．通過(guò)一個(gè)二位五通電磁閥控制其活塞桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)連桿及撥叉直接撥動(dòng)換刀位上的刀套，使其完成900往復(fù)翻轉(zhuǎn)。機(jī)械手的整個(gè)換刀過(guò)程由凸輪箱控制圈，控制機(jī)械手換刀只需控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)即可。

　　刀套翻轉(zhuǎn)和ATC電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)序圖。如圖5所示。(1)在未換刀前，回刀信號(hào)的磁性開(kāi)關(guān)應(yīng)閉合；換刀電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。(2)進(jìn)入換刀過(guò)程，接通翻刀電磁閥信號(hào)1。翻刀氣缸縮回．使回刀磁性開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，翻刀磁簧開(kāi)關(guān)閉合。發(fā)出翻刀定位信號(hào)2。(3)再經(jīng)過(guò)一段時(shí)間(大約(0.1-0.25)S。目的在使翻刀氣壓缸內(nèi)氣壓充足。機(jī)械手抓刀時(shí)才不會(huì)造成刀套的輕微晃動(dòng))，接通ATC電機(jī)信號(hào)3，機(jī)械手開(kāi)始旋轉(zhuǎn)完成整個(gè)換刀過(guò)程。(4)當(dāng)機(jī)械手完成換刀動(dòng)作后，ATC電機(jī)發(fā)出停止信號(hào)4．同時(shí)接通凰刀電磁閥。翻刀氣缸伸出，使翻刀磁性開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，回刀磁性開(kāi)關(guān)閉合。發(fā)出回刀定位信號(hào)6，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，回刀電磁閥失電；換刀動(dòng)作完成。

4 伺服電機(jī)的控制

　　系統(tǒng)采用的是安川三相200V用SGDV&mdash;120A01A伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)安川SGMGV&mdash;13ADc6l伺服電機(jī)。伺服驅(qū)動(dòng)器有轉(zhuǎn)矩控制模式、速度控制模式和位置控制模封日。在伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)置時(shí)將Pn000設(shè)為0010，即采用位置控制模式，通過(guò)脈沖序列指令來(lái)控制刀套的位置；以輸入的脈沖數(shù)來(lái)控制位置，以輸人脈沖的頻率來(lái)控制刀套運(yùn)行的速度。伺服驅(qū)動(dòng)器在位置控制模式時(shí)，需用電子齒輪放大PLC發(fā)出脈沖的頻率。電子齒數(shù)比通過(guò)Pn20E和Pn210進(jìn)行設(shè)定。電機(jī)為20增量型電機(jī)，編碼器分辨率要為104857。指令單位為0.01&deg;。減速器的減速比為20：1。

　　所以將Pn20E設(shè)為20971520，Pfl210設(shè)為36000。伺服單元的連接示意圖，如圖6所示。采用三菱PLC的高速脈沖輸出指令PLSR(Pulse Output)在PLc的集成高速輸出點(diǎn)Y0上輸出指定頻率、占空比為50％的高速脈沖。指令格式為：PLSR[S1][S2][S3][D]。[S1]最高頻率；[S2]總脈沖數(shù)；[S3]加減速時(shí)問(wèn)；[D]設(shè)定脈沖輸出的Y地址。CNl采用的是集電極開(kāi)路輸出的連接，將PLC的脈沖、方向及清除信號(hào)接入伺服單元時(shí)應(yīng)各串聯(lián)一個(gè)限制電阻：使輸入電流，保持在伺服驅(qū)動(dòng)器允許的范圍內(nèi)(7-15)mA。

5 結(jié)論

　　自動(dòng)換刀裝置作為加工中心的重要組成部分，采用PLC進(jìn)行控制，不僅可以簡(jiǎn)化換刀系統(tǒng)的編碼方式和刀具識(shí)別裝置，而且可以通過(guò)編程設(shè)計(jì)換刀方式，尋找最優(yōu)路徑，提高加工中心的工作效率。通過(guò)對(duì)機(jī)械手換刀過(guò)程的分析，設(shè)計(jì)出了滿(mǎn)足其換刀工藝要求、簡(jiǎn)單可靠的控制系統(tǒng)，使得機(jī)械手在性能上得到進(jìn)一步的提高，能夠較好的滿(mǎn)足數(shù)控加工中心在加工對(duì)過(guò)程中自動(dòng)換刀裝置的要求。