基于PLC的自动换刀系统研究

1 引言

　　自动换刀装置是专门为大中型加工中心配套，实现刀具储备及自动交换功能的重要功能部件，是高档加工中心和重型加工中心的重要组成部分”。自动换刀装置控制系统性能的好坏直接影响加工中心的性能。刀库及自动换刀装置的结构较为复杂，而且换刀动作较多；动作的相互协调关系较多，复杂系数较高，容易发生故障。因此，刀库及自动换刀装置的控制便成为加工中心控制系统中非常关键的环节。

2 系统的总体结构设计

　　控制系统总体设计框图，如图1所示。该控制系统主要由人机界面、三菱小型PLC(FX1N-40MT)、伺服电机和气缸组成，FX1N-40MT在自由口通信模式下工作时，利用CPU模块的集成接口进行通信四，CPU集成接口采用了PPI硬件规范，其接口为Rs485串口，利用RS-232RS-48S转换器与带有RS-232标准接口的人机界面连接进行通信。刀库及自动换刀装置的控制主要包括：刀具运动的控制、刀套翻转运动的控制、机械手换刀的控制。(1)刀具运动的控制：刀具的运动主要由伺服电机控制，同时利用接近开关检测链条运动的信号，将信号反馈给PLC，继而控制链条的运动和停止。接近开关采用的是欧姆龙公司的E2G—M12KS02。(2)刀套翻转运动的控制：刀套的翻转主要由气缸完成，其运动由PLC控制。PLc控制电磁阀的动作，即气缸的进气和排气。在气缸上安装磁感应开关检测气缸中活塞的位置对眦进行反馈。气缸选用的是亚德客(AirTac)公司的标准型SC系列单作用气缸SCl00×85-s-BJ345A，使用压力范围为(0.15-0.8)MPa；配套电磁阀为二位五通电磁阀4v220-08。磁感应开关选用的是某公司的CS-F。(3)机械手换刀的控制：机械手的运动由电机和凸轮箱联合控制，并由机械手位置反馈装置检测机械手的旋转信号；将旋转信号反馈给PLC，PLC控制电机的作用继而实现对机械手运动的控制。

3 刀库及机械手换刀过程的控制

　　3.1 刀具运动过程的控制

　　链式刀库刀具的运动由伺服电机控制，伺服电机带动圆柱分度凸轮转动，圆柱分度凸轮再带动链轮转动；凸轮旋转一周链轮运动一个刀位。

　　3.1.1选刀过程分析

　　刀库中存有32把刀具，分别置于1至32号刀座上。假设m号刀座上的刀具现在处于刀套翻转位置，要求取n号刀座上的刀具(m和n是1至32之间的任意数)。要正确取到n号刀座上的刀具，就必须正确判断电机的转向和正确记忆经过刀套翻转位置的刀座号。刀具选择的流程图，如图2所示。

　　(1)当_｜m-n_｜≦16时。如果m>n，则刀库顺时针转过_｜m-n_｜个刀位；如果m<n，则刀库逆时针转过_｜m-n_｜个刀位。
　　(2)当_｜m-n_｜>16时。如果m撕，则刀库逆时针转过_｜m-n_｜个刀位；如果m<n则刀库顺时针转过32-_｜m-n_｜个刀位。

　　3.1.2刀具的定位

　　刀库的定位检测装置，如图3所示。在圆柱分度凸轮的轴的下方安装一个1/4圆弧形铁板，铁板上方安装两个光电开关。当伺服电机带动圆柱分度凸轮转动时，圆弧形铁板和分度凸轮同步转动，这时光电开关能够检测到圆弧形铁板的转动信号。

　　刀具定位的部分程序图，如图4所示。Y2为电机转动的方向信号，Y4为电机的使能信号，X3为右侧光电开关输入信号，如图3所示。以为左侧光电开关输入信号。当圆柱凸轮正转时，第5步开始执行；Y2和Y4接通，光电开关X3感应到圆弧铁板的信号，PLC的内部计数器c0开始计数；直到计数器的值等于数据寄存器Dl时C0导通。当圆柱凸轮反转时，第12步开始执行。C0或C1导通时程序第19步执行，PLC内部的特殊辅助继电器M8145导通。PLC禁止Y0输出高速脉冲，电机停止运动。