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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，伺服電機通過驅動圓柱分度凸輪旋轉來帶動刀庫運動，凸輪旋轉一周，刀庫運動一個刀位。刀庫中存有32把刀具，假設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向和記憶經過換刀位置的刀號［4］。在人機界面中將目標刀號Y輸?shù)絇LC的內部寄存器中。PLC將目標刀號Y與當前刀號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，反之正轉;若X＜Y，將(Y—X)的值與16比較，若大于則電機反轉，反之正轉。利用PLC內的C221增減計數(shù)器來記錄當前刀號X。當電機正轉時，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)刀套的翻轉和回轉。撥叉隨著活塞的運動而進行往復運動，從而撥動換刀位置上的刀套，使其完成90°往復翻轉?；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，用于檢測氣缸在完成刀套翻轉和回轉時活塞的位置。當磁性開關檢測到刀套的回轉信號后，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準確配合，若三者之間的配合不準確，將造成換刀動作的失?。?］。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)設計了刀庫及自動換刀裝置的動作時序。(1)當PLC接收到機床發(fā)出的換刀指令1時，伺服電機開始旋轉。(2)當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。(3)伺服電機停止旋轉后，翻刀電磁閥信號3接通，氣缸內活塞縮回，刀套翻轉，同時回刀磁性開關斷開。(4)當?shù)短追D完成后，翻刀磁性開關閉合，發(fā)出翻刀定位信號4。待氣缸內氣壓充足后，接通ATC電機信號5，機械手開始旋轉完成整個換刀動作［3］。(5)當機械手完成換刀動作后，PLC發(fā)出ATC電機停止信號6。ATC電機停止轉動后，回刀電磁閥接通，氣缸內活塞伸出，翻刀磁性開關斷開。當回刀磁性開關閉合時，發(fā)出回刀定位信號7，回刀電磁閥斷電，換刀過程結束。

刀庫及自動換刀裝置的驅動設計

1刀庫的驅動設計

本控制系統(tǒng)利用伺服電機來驅動刀庫的運動。伺服電機帶有編碼器，能夠實現(xiàn)伺服電機的閉環(huán)控制，使刀庫能夠準確、快速定位。本設計中伺服電機選用安川SGMGV-13ADC61，伺服驅動器選用安川SGDV-120A01A。伺服驅動器有三種控制模式:轉矩控制模式、速度控制模式和位置控制模式。本設計采用位置控制模式，以PLC輸入到驅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。刀庫的驅動設計圖如圖4所示。其中，CN2部分與旋轉編碼器相連，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/S-ON沒有信號輸入時電機停止轉動。SIGN和/SIGN控制電機轉動方向，當SIGN和/SIGN接通時伺服電機正轉;反之，伺服電機反轉。PULS和/PULS為脈沖輸入端口。

2自動換刀裝置的驅動設計

本設計中，自動換刀裝置由交流電機驅動。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。自動換刀裝置的驅動設計圖如圖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控制電機正轉和反轉。PLC通過控制回路的多功能端子使電機在不同轉速下運行。

軟件設計

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)王來設計，組態(tài)王適應性強、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)應設為一致，本系統(tǒng)的通訊參數(shù)中波特率設為9600、數(shù)據(jù)位長度設為7、停止位長度設為1、奇偶檢驗位設為偶檢驗。

2人機界面的設計控制系統(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)設置。

結束語

通過對換刀過程的分析，設計了刀庫及自動刀裝置的驅動系統(tǒng)，同時利用組態(tài)王設計了人機界面，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的結合，使該系統(tǒng)操作簡單、監(jiān)控方便。經實驗證明，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)平官文楊宇吳鈞關耀東單位：北京工業(yè)大學機械工程與應用電子技術學院呼和浩特眾環(huán)(集團)有限責任公司