1 引言

　　自動換刀裝置是專門為大中型加工中心配套，實現(xiàn)刀具儲備及自動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。刀庫及自動換刀裝置的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，而且換刀動作較多；動作的相互協(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，刀庫及自動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

　　控制系統(tǒng)總體設(shè)計框圖，如圖1所示。該控制系統(tǒng)主要由人機界面、三菱小型PLC(FX1N-40MT)、伺服電機和氣缸組成，F(xiàn)X1N-40MT在自由口通信模式下工作時，利用CPU模塊的集成接口進行通信四，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標準接口的人機界面連接進行通信。刀庫及自動換刀裝置的控制主要包括：刀具運動的控制、刀套翻轉(zhuǎn)運動的控制、機械手換刀的控制。(1)刀具運動的控制：刀具的運動主要由伺服電機控制，同時利用接近開關(guān)檢測鏈條運動的信號，將信號反饋給PLC，繼而控制鏈條的運動和停止。接近開關(guān)采用的是歐姆龍公司的E2G—M12KS02。(2)刀套翻轉(zhuǎn)運動的控制：刀套的翻轉(zhuǎn)主要由氣缸完成，其運動由PLC控制。PLc控制電磁閥的動作，即氣缸的進氣和排氣。在氣缸上安裝磁感應(yīng)開關(guān)檢測氣缸中活塞的位置對眥進行反饋。氣缸選用的是亞德客(AirTac)公司的標準型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)開關(guān)選用的是某公司的CS-F。(3)機械手換刀的控制：機械手的運動由電機和凸輪箱聯(lián)合控制，并由機械手位置反饋裝置檢測機械手的旋轉(zhuǎn)信號；將旋轉(zhuǎn)信號反饋給PLC，PLC控制電機的作用繼而實現(xiàn)對機械手運動的控制。

3 刀庫及機械手換刀過程的控制

　　3.1 刀具運動過程的控制

　　鏈式刀庫刀具的運動由伺服電機控制，伺服電機帶動圓柱分度凸輪轉(zhuǎn)動，圓柱分度凸輪再帶動鏈輪轉(zhuǎn)動；凸輪旋轉(zhuǎn)一周鏈輪運動一個刀位。

　　3.1.1選刀過程分析

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

　　(1)當｜m-n｜≦16時。如果m>n，則刀庫順時針轉(zhuǎn)過｜m-n｜個刀位；如果m<n則刀庫逆時針轉(zhuǎn)過｜m-n｜個刀位?！　?2)當｜m-n｜>16時。如果m撕，則刀庫逆時針轉(zhuǎn)過｜m-n｜個刀位；如果m<n則刀庫順時針轉(zhuǎn)過32-｜m-n｜個刀位。

　　3.1.2刀具的定位

　　刀庫的定位檢測裝置，如圖3所示。在圓柱分度凸輪的軸的下方安裝一個1/4圓弧形鐵板，鐵板上方安裝兩個光電開關(guān)。當伺服電機帶動圓柱分度凸輪轉(zhuǎn)動時，圓弧形鐵板和分度凸輪同步轉(zhuǎn)動，這時光電開關(guān)能夠檢測到圓弧形鐵板的轉(zhuǎn)動信號。

　　刀具定位的部分程序圖，如圖4所示。Y2為電機轉(zhuǎn)動的方向信號，Y4為電機的使能信號，X3為右側(cè)光電開關(guān)輸入信號，如圖3所示。以為左側(cè)光電開關(guān)輸入信號。當圓柱凸輪正轉(zhuǎn)時，第5步開始執(zhí)行；Y2和Y4接通，光電開關(guān)X3感應(yīng)到圓弧鐵板的信號，PLC的內(nèi)部計數(shù)器c0開始計數(shù)；直到計數(shù)器的值等于數(shù)據(jù)寄存器Dl時C0導(dǎo)通。當圓柱凸輪反轉(zhuǎn)時，第12步開始執(zhí)行。C0或C1導(dǎo)通時程序第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，電機停止運動。

　　3.2 刀套翻轉(zhuǎn)及機械手換刀的控制

　　通過鏈條完成刀具的定位以后。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完成。在鏈條背后，整個刀庫中間偏前的位置上固定&mdash;個專用于刀套翻轉(zhuǎn)的直線往復(fù)氣缸．通過一個二位五通電磁閥控制其活塞桿的往復(fù)運動，從而帶動連桿及撥叉直接撥動換刀位上的刀套，使其完成900往復(fù)翻轉(zhuǎn)。機械手的整個換刀過程由凸輪箱控制圈，控制機械手換刀只需控制電機的轉(zhuǎn)動即可。

　　刀套翻轉(zhuǎn)和ATC電機運動時序圖。如圖5所示。(1)在未換刀前，回刀信號的磁性開關(guān)應(yīng)閉合；換刀電機停止運轉(zhuǎn)。(2)進入換刀過程，接通翻刀電磁閥信號1。翻刀氣缸縮回．使回刀磁性開關(guān)斷開，翻刀磁簧開關(guān)閉合。發(fā)出翻刀定位信號2。(3)再經(jīng)過一段時間(大約(0.1-0.25)S。目的在使翻刀氣壓缸內(nèi)氣壓充足。機械手抓刀時才不會造成刀套的輕微晃動)，接通ATC電機信號3，機械手開始旋轉(zhuǎn)完成整個換刀過程。(4)當機械手完成換刀動作后，ATC電機發(fā)出停止信號4．同時接通凰刀電磁閥。翻刀氣缸伸出，使翻刀磁性開關(guān)斷開，回刀磁性開關(guān)閉合。發(fā)出回刀定位信號6，經(jīng)過一定時間后，回刀電磁閥失電；換刀動作完成。

4 伺服電機的控制

　　系統(tǒng)采用的是安川三相200V用SGDV&mdash;120A01A伺服驅(qū)動器驅(qū)動安川SGMGV&mdash;13ADc6l伺服電機。伺服驅(qū)動器有轉(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)動器設(shè)置時將Pn000設(shè)為0010，即采用位置控制模式，通過脈沖序列指令來控制刀套的位置；以輸入的脈沖數(shù)來控制位置，以輸人脈沖的頻率來控制刀套運行的速度。伺服驅(qū)動器在位置控制模式時，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Pn20E和Pn210進行設(shè)定。電機為20增量型電機，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]加減速時問；[D]設(shè)定脈沖輸出的Y地址。CNl采用的是集電極開路輸出的連接，將PLC的脈沖、方向及清除信號接入伺服單元時應(yīng)各串聯(lián)一個限制電阻：使輸入電流，保持在伺服驅(qū)動器允許的范圍內(nèi)(7-15)mA。

5 結(jié)論

　　自動換刀裝置作為加工中心的重要組成部分，采用PLC進行控制，不僅可以簡化換刀系統(tǒng)的編碼方式和刀具識別裝置，而且可以通過編程設(shè)計換刀方式，尋找最優(yōu)路徑，提高加工中心的工作效率。通過對機械手換刀過程的分析，設(shè)計出了滿足其換刀工藝要求、簡單可靠的控制系統(tǒng)，使得機械手在性能上得到進一步的提高，能夠較好的滿足數(shù)控加工中心在加工對過程中自動換刀裝置的要求。