链式刀库控制体系设计研究

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选刀过程的分析

在自动换刀装置开始换刀动作之前，链式刀库应准确地将需要用到的刀具送到换刀位置。刀库的运动由伺服电机控制，伺服电机通过驱动圆柱分度凸轮旋转来带动刀库运动，凸轮旋转一周，刀库运动一个刀位。刀库中存有32把刀具，假设X号刀具现在处于换刀位置，要求重新选取Y号刀具(X和Y是1至32之间的任意数)。为了将Y号刀具送到换刀位置，必须正确判断电机的转向和记忆经过换刀位置的刀号［4］。在人机界面中将目标刀号Y输到PLC的内部寄存器中。PLC将目标刀号Y与当前刀号X进行比较，若X=Y，自动换刀装置开始换刀;若X＞Y，将(Y+32—X)的值与16相比较，若大于则电机反转，反之正转;若X＜Y，将(Y—X)的值与16比较，若大于则电机反转，反之正转。利用PLC内的C221增减计数器来记录当前刀号X。当电机正转时，C221的数值加1，反之减1。

换刀过程的时序分析

选刀过程完成以后，则需将刀库中的刀具和机床主轴上的刀具进行交换，整个过程由气缸和机械手配合完成。气缸中的活塞杆通过连杆与拨叉连接在一起，拨叉用于实现刀套的翻转和回转。拨叉随着活塞的运动而进行往复运动，从而拨动换刀位置上的刀套，使其完成90°往复翻转。活塞的运动由一个二位五通电磁阀来控制，同时，在气缸上安装了两个磁性开关，用于检测气缸在完成刀套翻转和回转时活塞的位置。当磁性开关检测到刀套的回转信号后，机械手开始动作，机械手由ATC电机来控制。在换刀过程中，刀库、气缸和机械手三者之间应准确配合，若三者之间的配合不准确，将造成换刀动作的失败［2］。为了避免在换刀过程中各个动作发生相互干涉，本系统设计了刀库及自动换刀装置的动作时序。(1)当PLC接收到机床发出的换刀指令1时，伺服电机开始旋转。(2)当目标刀具到达换刀位置时，PLC发出刀库定位信号2，使伺服电机停止旋转。(3)伺服电机停止旋转后，翻刀电磁阀信号3接通，气缸内活塞缩回，刀套翻转，同时回刀磁性开关断开。(4)当刀套翻转完成后，翻刀磁性开关闭合，发出翻刀定位信号4。待气缸内气压充足后，接通ATC电机信号5，机械手开始旋转完成整个换刀动作［3］。(5)当机械手完成换刀动作后，PLC发出ATC电机停止信号6。ATC电机停止转动后，回刀电磁阀接通，气缸内活塞伸出，翻刀磁性开关断开。当回刀磁性开关闭合时，发出回刀定位信号7，回刀电磁阀断电，换刀过程结束。

刀库及自动换刀装置的驱动设计

1刀库的驱动设计

本控制系统利用伺服电机来驱动刀库的运动。伺服电机带有编码器，能够实现伺服电机的闭环控制，使刀库能够准确、快速定位。本设计中伺服电机选用安川SGMGV-13ADC61，伺服驱动器选用安川SGDV-120A01A。伺服驱动器有三种控制模式:转矩控制模式、速度控制模式和位置控制模式。本设计采用位置控制模式，以PLC输入到驱动器中的脉冲频率来控制刀库的运行速度，以脉冲数来控制刀库的位置。刀库的驱动设计图如图4所示。其中，CN2部分与旋转编码器相连，CN1部分与PLC相连。由于PLC是集电极开路输出，因此将PLC与驱动器的脉冲、方向及清除信号端口连接时须各串联一个2KΩ的上拉电阻。CN1单元中/S-ON为使能输入，当/S-ON没有信号输入时电机停止转动。SIGN和/SIGN控制电机转动方向，当SIGN和/SIGN接通时伺服电机正转;反之，伺服电机反转。PULS和/PULS为脉冲输入端口。

2自动换刀装置的驱动设计

本设计中，自动换刀装置由交流电机驱动。自动换刀装置在运行过程中要求电机启动平滑、制动快速，这里采用三菱FR-D740-1.5k变频器来控制交流电机。自动换刀装置的驱动设计图如图5所示，分为主回路和控制回路。主回路包括电源输入(L1、L2、L3)和电机控制输出(U、V、W);控制回路有5个多功能输入端子(RH、RM、RL、STF、STL)，RH、RM和RL控制电机多速选择，STF和STL控制电机正转和反转。PLC通过控制回路的多功能端子使电机在不同转速下运行。

软件设计

本控制系统的操作界面采用北京亚控科技有限公司的组态王来设计，组态王适应性强、开放性好、易于扩展，能有效的实现对自动换刀装置的实时监测与控制。

1组态王与PLC的连接组态王与三菱FX1N系列PLC的连接协议有:三菱协议、FX2-485协议、三菱EZSOCKET协议。本设计中采用三菱协议，同时，利用PLC的编程电缆将PLC的编程端口与计算机的串行口相连，实现两者之间的通讯。为了使组态王和FX1N能正常通讯，组态王和PLC中的串口通讯参数应设为一致，本系统的通讯参数中波特率设为9600、数据位长度设为7、停止位长度设为1、奇偶检验位设为偶检验。

2人机界面的设计控制系统的人机界面如图6所示。人机界面包括三部分:刀库运动的模拟、自动换刀装置的监控、刀库运行的参数设置。

结束语

通过对换刀过程的分析，设计了刀库及自动刀装置的驱动系统，同时利用组态王设计了人机界面，实现了人机对话。通过PLC编程寻找刀库运动的最优路径，提高了加工中心的工作效率;通过人机界面和PLC的结合，使该系统操作简单、监控方便。经实验证明，本控制系统性能稳定、控制精确，能够较好地满足加工中心对自动换刀装置的要求。

作者：张跃明邓卫平官文杨宇吴钧关耀东单位：北京工业大学机械工程与应用电子技术学院呼和浩特众环(集团)有限责任公司