基于軟件技術(shù)的自動換刀系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

基于軟件技術(shù)的自動換刀系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

0換刀機(jī)構(gòu)組成用刀庫（mag）實(shí)現(xiàn)自動變更是一種廣泛使用的刀變換方式。獨(dú)立刀庫顯著增加了刀的存儲數(shù)量，有利于擴(kuò)大少林寺的功能，并能更好地隔離各種影響加工精度的因素的干擾。加工中心的常用刀庫類型有:盤式刀庫和鏈?zhǔn)降稁?。刀庫換刀方式按照換刀過程有無機(jī)械手參與,分成有機(jī)械手換刀和無機(jī)械手換刀。本研究以YY-1060立式加工中心裝備的DEX—A402盤式刀庫有機(jī)械手自動換刀機(jī)構(gòu)為對象,對自動換刀系統(tǒng)(ATC)進(jìn)行研究?？删幊炭刂破?PLC)是自動換刀系統(tǒng)的核心部分。目前,國內(nèi)對自動換刀機(jī)構(gòu)的控制多采用傳統(tǒng)PLC(簡稱硬PLC)及單片機(jī),如三菱FX2N系列的PLC控制、西門子S7-200系列PLC、AT98C51單片機(jī)。硬PLC控制方法沒有專用的選刀指令,需要編寫復(fù)雜的選刀PLC程序,同時無法通過宏程序簡化數(shù)控編程過程;采用單片機(jī)控制電路搭建復(fù)雜,系統(tǒng)穩(wěn)定性較低,編程復(fù)雜。本研究采用的LadderWorks是一種基于ServoWorks技術(shù)的軟件式內(nèi)置PLC系統(tǒng),可與CNC之間進(jìn)行內(nèi)部的信號的快速傳輸。1dex-3a2c自動換刀機(jī)構(gòu)自動換刀機(jī)構(gòu)主要構(gòu)成包括:刀臂電機(jī)、凸輪、刀臂、刀庫電機(jī)、刀杯、剎車、松夾刀、原點(diǎn)訊號輪等。DEX-A402自動換刀機(jī)構(gòu)如圖1所示。刀臂動作由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動,換刀動作分4個步驟完成。刀臂電機(jī)單方向旋轉(zhuǎn),通過自動換刀機(jī)構(gòu)中的凸輪機(jī)構(gòu)控制刀臂的正反轉(zhuǎn),該驅(qū)動方式提高了刀臂旋轉(zhuǎn)角度的精度,同時簡化了電機(jī)的控制。刀臂運(yùn)動的具體流程如圖2所示。2確定刀庫確定數(shù)控編程通過T指令、M指令完成自動換刀動作,換刀指令經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)部譯碼,將目標(biāo)刀號、宏指令號譯為相對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)保存到系統(tǒng)指定的寄存器。ServoWorksPLC系統(tǒng)中T指令譯碼到F26,M指令譯碼到F10,用戶可根據(jù)換刀動作要求編寫宏程序以及PLC程序。T指令指定目標(biāo)刀號,完成刀庫選刀、刀庫旋轉(zhuǎn)方向的判斷以及旋轉(zhuǎn)步距的確定;M指令指定宏程序號,根據(jù)換刀要求完成主軸回零,Z軸回?fù)Q刀點(diǎn),刀臂旋轉(zhuǎn)方向、位置以及刀杯上下等動作。2.1機(jī)械隨機(jī)控制刀具的選擇是把刀庫上指定的刀具轉(zhuǎn)到換刀位置,該動作由T功能指令實(shí)現(xiàn)。自動換刀系統(tǒng)(ATC)根據(jù)來自刀庫的位置信息和T指令,按照給出的命令,控制系統(tǒng)決定刀庫的旋轉(zhuǎn)方向、要求的步數(shù)等,通?？刹捎糜洃浤Ｊ诫S機(jī)控制和機(jī)械隨機(jī)控制兩種方式。機(jī)械隨機(jī)控制每把刀對應(yīng)各自的刀套,通常在主軸和刀庫之間,以“中間刀套”提供換刀。相比而言,記憶模式隨機(jī)控制采用指針方式,指針指出了刀庫旋轉(zhuǎn)的位置,每把刀具和刀套不總是一一對應(yīng),該控制方式換刀迅速、可靠。一般根據(jù)刀庫的機(jī)械結(jié)構(gòu)選擇換刀的控制方式,以下介紹一種浮動指針系統(tǒng)的換刀方式:用戶通過T指令指定刀號,系統(tǒng)譯碼后,在浮動指針指向的內(nèi)存中找到對應(yīng)刀具號,采用系統(tǒng)專用指令ROTB判斷刀庫旋轉(zhuǎn)方向及旋轉(zhuǎn)距離,刀庫旋轉(zhuǎn)到目標(biāo)刀具位置完成選刀動作,M6指令完成換刀動作,具體流程如圖3所示。2.2加工中心刀庫換刀輔助M指令通過系統(tǒng)譯碼到PLC中R點(diǎn)(內(nèi)部繼電器),用戶根據(jù)動作要求編寫PLC程序。ATC的輔助M指令主要有:M6換刀,M19主軸定位,M86刀庫初始化等。加工中心刀庫換刀流程如圖4所示。ServoWorksCNC可以根據(jù)用戶的需求自定義G/M/S/T宏調(diào)用簡化數(shù)控編程,常用機(jī)床運(yùn)動程序可集成到一個指令中,如使用M06完成整個換刀動作。根據(jù)換刀流程編寫M6宏程序調(diào)用O9001,系統(tǒng)規(guī)定宏程序可以同名調(diào)用輔助M指令。系統(tǒng)內(nèi)部指定存儲單元分類儲存移動指令,如G00(快進(jìn))、G01(直線進(jìn)給)、G02G03(圓弧插補(bǔ))等指令存儲在系統(tǒng)變量#4001。宏指令調(diào)用方法如下:3機(jī)床到plc的地址自動換刀PLC程序主要包括刀庫選刀程序及刀臂換刀程序。ServoWorksPLC程序的地址有:機(jī)床到PLC的輸入信號(X),PLC到機(jī)床的輸出信號(Y),CNC引擎到PLC引擎的信號(F),PLC引擎到CNC引擎的信號(G),中間繼電器(R),計數(shù)器(C),計時器(T)等。下面通過PLC的R點(diǎn)描述換刀動作。3.1dex—刀庫選刀PLC程序基于LadderWorksPLC的自動換刀指令(如圖3所示)主要有:刀具號搜索指令DSCH、旋轉(zhuǎn)方向和距離計算指令ROTB、刀庫旋轉(zhuǎn)刀位計數(shù)指令CTR。DEX—A402刀庫刀具容量為24把,刀庫選刀主要PLC程序如圖5所示。程序中:R270存儲目標(biāo)刀號,DSCH指令在D20起的25個儲存單元尋找與R270相同內(nèi)容的地址,并存儲到R280;C0指定刀庫的刀具容量,ROTB指令實(shí)時計算目標(biāo)刀杯號R290與當(dāng)前刀杯號C2之間的步距及方向,R283存儲步距,R203.6存儲旋轉(zhuǎn)方向;C2的計數(shù)由CRT指令完成,刀庫旋轉(zhuǎn)方向R960.3決定C2的增、減計數(shù),R200.4為刀杯計數(shù)信號。3.2車載信號的編寫換刀PLC程序?qū)崿F(xiàn)刀臂的旋轉(zhuǎn)動作控制。自動換刀機(jī)構(gòu)通過刀臂電機(jī)帶動凸輪控制刀臂運(yùn)動,機(jī)構(gòu)配備的剎車訊號輪及凸輪訊號輪提供剎車信號、松夾刀信號、原點(diǎn)信號,通過以上信號的時序圖編寫剎車位置。位置1對應(yīng)原點(diǎn)位置,位置2對應(yīng)刀臂正轉(zhuǎn)60°,位置3對應(yīng)刀臂正轉(zhuǎn)180°。本研究根據(jù)換刀流程圖編寫換刀PLC程序,如圖6所示。3.3中間存儲區(qū)域轉(zhuǎn)換自動換刀是一個隨機(jī)連續(xù)的過程,在換刀完成后需要修改存儲單元中內(nèi)容,保證下次準(zhǔn)確換刀。存儲單元刀號互換,完成主軸刀號D20與當(dāng)前刀杯號對應(yīng)刀號D(20+C2)調(diào)換,通過中間存儲器D18過渡,具體的實(shí)現(xiàn)方式如圖7所示。XMOV指令完成存儲單元讀取、寫入數(shù)據(jù),RW=0執(zhí)行讀取操作,RW=1執(zhí)行寫入操作。4plc的實(shí)現(xiàn)LadderWorks控制臺是一個集PLC程序創(chuàng)建、編輯、編譯、運(yùn)行監(jiān)控和調(diào)試功能于一體的PLC控制平臺。LadderWorksPLC各種功能指令齊全,編程方法簡便,支持“txt”格式的文本文件。上述程序按照LadderWorksPLC編程要求編寫相應(yīng)的語句表,保存到“txt”文檔中,通過LadderWorks控制臺編譯,完成PLC編程。作為一種軟件式內(nèi)置PLC系統(tǒng),機(jī)床配電時LadderWorksPLC軟件需要專門配置外部I/O通信模塊來實(shí)現(xiàn)PLC與外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)的通信。此次設(shè)計采用BECKHOFF公司的EL1004作為信號輸入模塊、EL2889作為信號的輸入模塊。最后本研究將設(shè)計的自動換刀PLC程序及宏程序應(yīng)用于YY-1060加工中心中,驗(yàn)證程序的準(zhǔn)確性及可靠性。開啟系統(tǒng),在手動編程模式(MDI模式)下將1號刀杯調(diào)到換刀位置,進(jìn)行刀庫初始化,隨后采用T指令任意選擇指定范圍內(nèi)的刀具。經(jīng)驗(yàn)證系統(tǒng)自動計算出最短的刀庫旋轉(zhuǎn)路徑的方法如表1所示。當(dāng)指定的目標(biāo)刀號超出刀具號范圍系統(tǒng)報錯。經(jīng)多次調(diào)試,完成最近距離的刀具更換(刀庫旋轉(zhuǎn)1個刀位)需要4s,最遠(yuǎn)距離換刀(刀庫旋轉(zhuǎn)12個刀位)需要6s。試驗(yàn)結(jié)果表明本研究所設(shè)計的系統(tǒng)隨機(jī)換刀過程選刀準(zhǔn)確,沒有出現(xiàn)亂刀現(xiàn)象,換刀動作穩(wěn)定,能很好地滿足加工中心自動換刀的快速性、準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性要求。5自動