基于plc的自動(dòng)換刀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于plc的自動(dòng)換刀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

0自動(dòng)換刀系統(tǒng)的作用一般來說，零件需要經(jīng)過多工藝加工，獨(dú)特的數(shù)控機(jī)床只能完成從單工藝加工。因此,在制造一個(gè)零件的過程中,大量的時(shí)間用于更換刀具上。為了縮短非切削時(shí)間,自動(dòng)換刀系統(tǒng)的作用就顯得越來越重要。這種自動(dòng)換刀系統(tǒng)使生產(chǎn)過程自動(dòng)化、連續(xù)化,使得一個(gè)復(fù)雜的、需要多種刀具切削加工的零件可以一次完成,節(jié)省了換刀所需要的時(shí)間,提高了加工效率,同時(shí)減少了多次安裝造成的誤差,可有效提高加工精度。1機(jī)械手換刀裝置換刀機(jī)械手是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀的主要機(jī)構(gòu)。換刀機(jī)械手由手爪、換刀臂、中臂、支架、底座、安裝板、汽缸、步進(jìn)電機(jī)等幾部分組成。機(jī)械手手爪,用來夾持刀具的刀柄;換刀臂上的伸縮缸在取刀和放刀前后以及裝刀和卸刀前后使用,以便防止機(jī)械手和刀庫等發(fā)生干涉;手爪處的氣缸用來驅(qū)動(dòng)完成手爪夾持刀具,保證轉(zhuǎn)換刀具時(shí)的夾緊,防止脫落等;中臂上的汽缸用在裝刀和卸刀時(shí)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng);支架上的汽缸用來彌補(bǔ)刀庫和刀架的高度差,還可以避免干涉;旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)中臂上的軸轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手換刀臂在刀架與刀庫之間的來回?cái)[動(dòng);底座,用來支撐整個(gè)機(jī)械手。零部件之間全部采用螺栓連接的方式來固定。本研究設(shè)計(jì)的機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。刀庫自動(dòng)換刀實(shí)施步驟:當(dāng)一個(gè)加工工序完成后,將不用的刀具從刀架上卸下來送回刀庫中,同時(shí)還將下道工序的刀具裝入刀架中,然后換刀機(jī)械手回到原始位置等待下一個(gè)工作循環(huán)。即利用PLC控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)角位移和控制電磁閥的通斷,步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來驅(qū)動(dòng)機(jī)械手臂的左右旋轉(zhuǎn)和驅(qū)動(dòng)刀庫的旋轉(zhuǎn),電磁閥驅(qū)動(dòng)氣缸的升降和伸縮,升降運(yùn)動(dòng)來控制機(jī)械手手臂的上升和下降,伸縮運(yùn)動(dòng)來控制機(jī)械手手臂的伸長和收縮。2自動(dòng)選擇針頭的自動(dòng)分析2.1刀庫組成設(shè)計(jì)本研究設(shè)計(jì)的帶刀庫的換刀裝置由刀庫、刀具、選刀機(jī)構(gòu)、機(jī)械手等幾部分組成。刀庫的作用就是儲備一定數(shù)量的刀具,機(jī)械手實(shí)現(xiàn)刀架上刀具的互換。刀庫一般是鏈?zhǔn)降稁旌捅P式刀庫,本系統(tǒng)采用了盤式刀庫,刀庫容量為六把刀。2.2選擇方法和分析目前刀具選刀一般有四種控制方式:刀套編碼方式、順序選刀方式、刀具編碼方式、隨機(jī)換刀方式。2.2.1刀皮的編碼方法刀套編碼方式是對刀庫各刀座預(yù)先編碼,每把刀具放入相應(yīng)刀座之后就具有了相應(yīng)刀座的編碼,即刀具在刀庫中的位置是固定的。2.2.2調(diào)整刀位順序?qū)⒌毒甙醇庸すば蝽樞蛞来畏湃氲稁斓拿恳粋€(gè)刀座中。每次換刀時(shí),先把已經(jīng)使用過的刀具放回原來的刀座中,然后刀庫順序轉(zhuǎn)過一個(gè)刀座位置,并取出所需要的刀具。這種方法有利于對換刀過程的控制,但是,由于刀具在不同的工序中不能重復(fù)使用,如果刀具不按順序放在刀庫中,將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。這樣就必須增加刀具的數(shù)量和刀庫的容量,這樣降低了刀具和刀庫的利用率。2.2.3刀具均編代碼被重復(fù)建設(shè)刀具編碼方式就是刀具在刀庫中不必按照工件的加工順序排列,可以任意排放的。每把刀具均編上代碼,自動(dòng)換刀時(shí),刀庫旋轉(zhuǎn),每把刀具都要經(jīng)過“刀具識別器”接受識別。當(dāng)?shù)毒叽a與數(shù)控機(jī)床發(fā)出的請求代碼相符時(shí),刀庫旋轉(zhuǎn)到換刀位置,等待機(jī)械手取刀。2.2.4床自動(dòng)換刀裝置這種方式主要由軟件完成選刀,消除了由于識別裝置的移動(dòng)性和可靠性所帶來的選刀誤差,大大提高了選刀精度并簡化了控制裝置。目前該種選刀方式正被越來越多的各類數(shù)控機(jī)床自動(dòng)換刀裝置采用。本文采用PLC技術(shù),研究了帶有6把刀的隨機(jī)換刀方式的控制方法。即:PLC接收到計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置(CNC)發(fā)來的刀號指令,即進(jìn)行選刀工作,刀庫在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng),一旦選刀成功,就將該刀送至指定的刀具交換位置上,等待換刀。在這個(gè)過程中,需要應(yīng)用PLC完成的自動(dòng)控制主要包括接收新刀號、計(jì)算目標(biāo)地址、確定刀庫回轉(zhuǎn)方向及回轉(zhuǎn)角度等。在刀庫刀具的安裝位置上裝有到位信號燈,刀庫回轉(zhuǎn)經(jīng)過時(shí),會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號至PLC,來確定是否到達(dá)目的位置。換刀流程如圖2。3自動(dòng)自動(dòng)控制設(shè)計(jì)3.1按st1st6確定刀具選擇模塊刀庫有六把刀組成,按鈕SB1~SB6分別為六種刀具選擇按鈕;ST1~ST6分別為六種刀具的到位行程開關(guān)。在設(shè)計(jì)PLC程序之前,必須先定義好輸入輸出號。定義的輸入輸出號如表1所示:3.2類推刀庫并進(jìn)行比較1)初始狀態(tài)時(shí),PLC記錄當(dāng)前刀號。3)換刀過程中,其他換刀請求均無效。換刀完畢,記錄當(dāng)前刀號,等待下一次換刀請求。程序設(shè)計(jì)說明:1)記錄當(dāng)前刀號。當(dāng)1號刀具處于機(jī)械手位置時(shí),ST1動(dòng)作,所對應(yīng)的到位行程開關(guān)閉合,將數(shù)據(jù)1傳入至數(shù)據(jù)寄存器VW0中;當(dāng)2號刀具處于機(jī)械手位置時(shí),ST2動(dòng)作,所對應(yīng)的到位行程開關(guān)閉合,將數(shù)據(jù)2傳入至數(shù)據(jù)寄存器VW0中。以此類推,記錄當(dāng)前刀號。程開關(guān)閉合,將數(shù)據(jù)1傳入至數(shù)據(jù)寄存器VW0中;當(dāng)2號刀具處于機(jī)械手位置時(shí),ST2動(dòng)作,所對應(yīng)的到位行程開關(guān)閉合,將數(shù)據(jù)2傳入至數(shù)據(jù)寄存器VW0中。以此類推,記錄當(dāng)前刀號。2)記錄當(dāng)前請求刀號。當(dāng)請求選擇1號刀具時(shí),PLC得到信號,將常數(shù)1傳入至數(shù)據(jù)寄存器VW2中,同時(shí)使得內(nèi)部標(biāo)志位置位,其他請求信號無效;當(dāng)請求選擇2號刀具時(shí),PLC得到信號,將常數(shù)2傳入至數(shù)據(jù)寄存器VW2中,同時(shí)使得內(nèi)部標(biāo)志位置位,其他請求信號無效;以此類推,記錄當(dāng)前的請求刀具號。3)當(dāng)內(nèi)部寄存器置位后,比較指令使得:(1)如果寄存器數(shù)據(jù)VW0﹥VW2,則執(zhí)行減法運(yùn)算VW0-VW2,運(yùn)算結(jié)果存入VW6中,然后將VW6中的數(shù)據(jù)在下一邏輯行中進(jìn)行比較。若VW6﹥3,則刀庫離請求刀號逆轉(zhuǎn)方向最近,步進(jìn)電機(jī)到東刀庫逆轉(zhuǎn)。若VW6=3,則刀庫離請求刀號順轉(zhuǎn)方向最近;同理,若VW6﹤3,則電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)刀庫順轉(zhuǎn)。(2)如果寄存器數(shù)據(jù)VW0=VW2,則到位指示燈亮,機(jī)械手開始取刀。(3)如果寄存器數(shù)據(jù)VW0﹤VW2,直接相減是一個(gè)負(fù)數(shù),結(jié)果出錯(cuò),因而將VW0加上刀具總數(shù)6后減去VW2,將得出的數(shù)據(jù)在下一邏輯行中比較。重復(fù)以上的過程,最后使得VW0=VW2,機(jī)械手進(jìn)行取刀操作。4自動(dòng)換刀控制方案基于PLC的自動(dòng)換刀系統(tǒng)將充分發(fā)揮現(xiàn)有數(shù)控設(shè)備的功能,節(jié)省人工換刀時(shí)所需要的時(shí)間,提高車間的生產(chǎn)效率,同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)一次裝夾完成多道工序,縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間。該控制方案主要適用于盤式刀庫換刀控制,也可供制造大容量刀庫參考應(yīng)用。今后本課題組將要進(jìn)一步研究實(shí)現(xiàn)機(jī)床上嵌入式控制器與自動(dòng)換刀系統(tǒng)的無線通信技術(shù)。這種通信技術(shù)具有良