1 引言

　　自動換刀裝置是專門為大中型加工中心配套，實現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構較為復雜，而且換刀動作較多；動作的相互協調關系較多，復雜系數較高，容易發生故障。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中非常關鍵的環節。

2 系統的總體結構設計

　　控制系統總體設計框圖，如圖1所示。該控制系統主要由人機界面、三菱小型PLC(FX1N-40MT)、伺服電機和氣缸組成，FX1N-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硬件規范，其接口為Rs485串口，利用RS-232RS-48S轉換器與帶有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。接近開關采用的是歐姆龍公司的E2G—M12KS02。(2)刀套翻轉運動的控制：刀套的翻轉主要由氣缸完成，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開關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。磁感應開關選用的是某公司的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合控制，并由機械手位置反饋裝置檢測機械手的旋轉信號；將旋轉信號反饋給PLC，PLC控制電機的作用繼而實現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動，圓柱分度凸輪再帶動鏈輪轉動；凸輪旋轉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m號刀座上的刀具現在處于刀套翻轉位置，要求取n號刀座上的刀具(m和n是1至32之間的任意數)。要正確取到n號刀座上的刀具，就必須正確判斷電機的轉向和正確記憶經過刀套翻轉位置的刀座號。刀具選擇的流程圖，如圖2所示。

　　(1)當｜m-n｜≦16時。如果m>n，則刀庫順時針轉過｜m-n｜個刀位；如果m<n則刀庫逆時針轉過｜m-n｜個刀位。　　(2)當｜m-n｜>16時。如果m撕，則刀庫逆時針轉過｜m-n｜個刀位；如果m<n則刀庫順時針轉過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。當伺服電機帶動圓柱分度凸輪轉動時，圓弧形鐵板和分度凸輪同步轉動，這時光電開關能夠檢測到圓弧形鐵板的轉動信號。

　　刀具定位的部分程序圖，如圖4所示。Y2為電機轉動的方向信號，Y4為電機的使能信號，X3為右側光電開關輸入信號，如圖3所示。以為左側光電開關輸入信號。當圓柱凸輪正轉時，第5步開始執行；Y2和Y4接通，光電開關X3感應到圓弧鐵板的信號，PLC的內部計數器c0開始計數；直到計數器的值等于數據寄存器Dl時C0導通。當圓柱凸輪反轉時，第12步開始執行。C0或C1導通時程序第19步執行，PLC內部的特殊輔助繼電器M8145導通。PLC禁止Y0輸出高速脈沖，電機停止運動。

　　3.2 刀套翻轉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;個專用于刀套翻轉的直線往復氣缸．通過一個二位五通電磁閥控制其活塞桿的往復運動，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往復翻轉。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動即可。

　　刀套翻轉和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應閉合；換刀電機停止運轉。(2)進入換刀過程，接通翻刀電磁閥信號1。翻刀氣缸縮回．使回刀磁性開關斷開，翻刀磁簧開關閉合。發出翻刀定位信號2。(3)再經過一段時間(大約(0.1-0.25)S。目的在使翻刀氣壓缸內氣壓充足。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，機械手開始旋轉完成整個換刀過程。(4)當機械手完成換刀動作后，ATC電機發出停止信號4．同時接通凰刀電磁閥。翻刀氣缸伸出，使翻刀磁性開關斷開，回刀磁性開關閉合。發出回刀定位信號6，經過一定時間后，回刀電磁閥失電；換刀動作完成。

4 伺服電機的控制

　　系統采用的是安川三相200V用SGDV&mdash;120A01A伺服驅動器驅動安川SGMGV&mdash;13ADc6l伺服電機。伺服驅動器有轉矩控制模式、速度控制模式和位置控制模封日。在伺服驅動器設置時將Pn000設為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。伺服驅動器在位置控制模式時，需用電子齒輪放大PLC發出脈沖的頻率。電子齒數比通過Pn20E和Pn210進行設定。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設為20971520，Pfl210設為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；[S3]加減速時問；[D]設定脈沖輸出的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各串聯一個限制電阻：使輸入電流，保持在伺服驅動器允許的范圍內(7-15)mA。

5 結論

　　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的編碼方式和刀具識別裝置，而且可以通過編程設計換刀方式，尋找最優路徑，提高加工中心的工作效率。通過對機械手換刀過程的分析，設計出了滿足其換刀工藝要求、簡單可靠的控制系統，使得機械手在性能上得到進一步的提高，能夠較好的滿足數控加工中心在加工對過程中自動換刀裝置的要求。