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選刀過程的分析

在自動換刀裝置開始換刀動作之前，鏈式刀庫應(yīng)準確地將需要用到的刀具送到換刀位置。刀庫的運動由伺服電機控制，伺服電機通過驅(qū)動圓柱分度凸輪旋轉(zhuǎn)來帶動刀庫運動，凸輪旋轉(zhuǎn)一周，刀庫運動一個刀位。刀庫中存有32把刀具，假設(shè)X號刀具現(xiàn)在處于換刀位置，要求重新選取Y號刀具(X和Y是1至32之間的任意數(shù))。為了將Y號刀具送到換刀位置，必須正確判斷電機的轉(zhuǎn)向和記憶經(jīng)過換刀位置的刀號［4］。在人機界面中將目標刀號Y輸?shù)絇LC的內(nèi)部寄存器中。PLC將目標刀號Y與當(dāng)前刀號X進行比較，若X=Y，自動換刀裝置開始換刀;若X＞Y，將(Y+32—X)的值與16相比較，若大于則電機反轉(zhuǎn)，反之正轉(zhuǎn);若X＜Y，將(Y—X)的值與16比較，若大于則電機反轉(zhuǎn)，反之正轉(zhuǎn)。利用PLC內(nèi)的C221增減計數(shù)器來記錄當(dāng)前刀號X。當(dāng)電機正轉(zhuǎn)時，C221的數(shù)值加1，反之減1。

換刀過程的時序分析

選刀過程完成以后，則需將刀庫中的刀具和機床主軸上的刀具進行交換，整個過程由氣缸和機械手配合完成。氣缸中的活塞桿通過連桿與撥叉連接在一起，撥叉用于實現(xiàn)刀套的翻轉(zhuǎn)和回轉(zhuǎn)。撥叉隨著活塞的運動而進行往復(fù)運動，從而撥動換刀位置上的刀套，使其完成90°往復(fù)翻轉(zhuǎn)?；钊倪\動由一個二位五通電磁閥來控制，同時，在氣缸上安裝了兩個磁性開關(guān)，用于檢測氣缸在完成刀套翻轉(zhuǎn)和回轉(zhuǎn)時活塞的位置。當(dāng)磁性開關(guān)檢測到刀套的回轉(zhuǎn)信號后，機械手開始動作，機械手由ATC電機來控制。在換刀過程中，刀庫、氣缸和機械手三者之間應(yīng)準確配合，若三者之間的配合不準確，將造成換刀動作的失敗［2］。為了避免在換刀過程中各個動作發(fā)生相互干涉，本系統(tǒng)設(shè)計了刀庫及自動換刀裝置的動作時序。(1)當(dāng)PLC接收到機床發(fā)出的換刀指令1時，伺服電機開始旋轉(zhuǎn)。(2)當(dāng)目標刀具到達換刀位置時，PLC發(fā)出刀庫定位信號2，使伺服電機停止旋轉(zhuǎn)。(3)伺服電機停止旋轉(zhuǎn)后，翻刀電磁閥信號3接通，氣缸內(nèi)活塞縮回，刀套翻轉(zhuǎn)，同時回刀磁性開關(guān)斷開。(4)當(dāng)?shù)短追D(zhuǎn)完成后，翻刀磁性開關(guān)閉合，發(fā)出翻刀定位信號4。待氣缸內(nèi)氣壓充足后，接通ATC電機信號5，機械手開始旋轉(zhuǎn)完成整個換刀動作［3］。(5)當(dāng)機械手完成換刀動作后，PLC發(fā)出ATC電機停止信號6。ATC電機停止轉(zhuǎn)動后，回刀電磁閥接通，氣缸內(nèi)活塞伸出，翻刀磁性開關(guān)斷開。當(dāng)回刀磁性開關(guān)閉合時，發(fā)出回刀定位信號7，回刀電磁閥斷電，換刀過程結(jié)束。

刀庫及自動換刀裝置的驅(qū)動設(shè)計

1刀庫的驅(qū)動設(shè)計

本控制系統(tǒng)利用伺服電機來驅(qū)動刀庫的運動。伺服電機帶有編碼器，能夠?qū)崿F(xiàn)伺服電機的閉環(huán)控制，使刀庫能夠準確、快速定位。本設(shè)計中伺服電機選用安川SGMGV-13ADC61，伺服驅(qū)動器選用安川SGDV-120A01A。伺服驅(qū)動器有三種控制模式:轉(zhuǎn)矩控制模式、速度控制模式和位置控制模式。本設(shè)計采用位置控制模式，以PLC輸入到驅(qū)動器中的脈沖頻率來控制刀庫的運行速度，以脈沖數(shù)來控制刀庫的位置。刀庫的驅(qū)動設(shè)計圖如圖4所示。其中，CN2部分與旋轉(zhuǎn)編碼器相連，CN1部分與PLC相連。由于PLC是集電極開路輸出，因此將PLC與驅(qū)動器的脈沖、方向及清除信號端口連接時須各串聯(lián)一個2KΩ的上拉電阻。CN1單元中/S-ON為使能輸入，當(dāng)/S-ON沒有信號輸入時電機停止轉(zhuǎn)動。SIGN和/SIGN控制電機轉(zhuǎn)動方向，當(dāng)SIGN和/SIGN接通時伺服電機正轉(zhuǎn);反之，伺服電機反轉(zhuǎn)。PULS和/PULS為脈沖輸入端口。

2自動換刀裝置的驅(qū)動設(shè)計

本設(shè)計中，自動換刀裝置由交流電機驅(qū)動。自動換刀裝置在運行過程中要求電機啟動平滑、制動快速，這里采用三菱FR-D740-1.5k變頻器來控制交流電機。自動換刀裝置的驅(qū)動設(shè)計圖如圖5所示，分為主回路和控制回路。主回路包括電源輸入(L1、L2、L3)和電機控制輸出(U、V、W);控制回路有5個多功能輸入端子(RH、RM、RL、STF、STL)，RH、RM和RL控制電機多速選擇，STF和STL控制電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。PLC通過控制回路的多功能端子使電機在不同轉(zhuǎn)速下運行。

軟件設(shè)計

本控制系統(tǒng)的操作界面采用北京亞控科技有限公司的組態(tài)王來設(shè)計，組態(tài)王適應(yīng)性強、開放性好、易于擴展，能有效的實現(xiàn)對自動換刀裝置的實時監(jiān)測與控制。

1組態(tài)王與PLC的連接組態(tài)王與三菱FX1N系列PLC的連接協(xié)議有:三菱協(xié)議、FX2-485協(xié)議、三菱EZSOCKET協(xié)議。本設(shè)計中采用三菱協(xié)議，同時，利用PLC的編程電纜將PLC的編程端口與計算機的串行口相連，實現(xiàn)兩者之間的通訊。為了使組態(tài)王和FX1N能正常通訊，組態(tài)王和PLC中的串口通訊參數(shù)應(yīng)設(shè)為一致，本系統(tǒng)的通訊參數(shù)中波特率設(shè)為9600、數(shù)據(jù)位長度設(shè)為7、停止位長度設(shè)為1、奇偶檢驗位設(shè)為偶檢驗。

2人機界面的設(shè)計控制系統(tǒng)的人機界面如圖6所示。人機界面包括三部分:刀庫運動的模擬、自動換刀裝置的監(jiān)控、刀庫運行的參數(shù)設(shè)置。

結(jié)束語

通過對換刀過程的分析，設(shè)計了刀庫及自動刀裝置的驅(qū)動系統(tǒng)，同時利用組態(tài)王設(shè)計了人機界面，實現(xiàn)了人機對話。通過PLC編程尋找刀庫運動的最優(yōu)路徑，提高了加工中心的工作效率;通過人機界面和PLC的結(jié)合，使該系統(tǒng)操作簡單、監(jiān)控方便。經(jīng)實驗證明，本控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定、控制精確，能夠較好地滿足加工中心對自動換刀裝置的要求。

作者：張躍明鄧衛(wèi)平官文楊宇吳鈞關(guān)耀東單位：北京工業(yè)大學(xué)機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院呼和浩特眾環(huán)(集團)有限責(zé)任公司