一種經濟型數控車床自動上下料機構的控制設計

摘要：隨著國內用工成本的上升，上游企業對質量的要求更嚴格，同時，國內很多機械加工行業面臨著用工荒、用工難。數控機床的自動化發展就成為一種必然趨勢。數控機床加裝自動上下料機構實現單機自動化是自動化加工發展的初期階段。做好自動化單機，是數控機床自動化的基礎。

關鍵詞：經濟型 數控車床 自動上下料 控制

隨著國內用工成本的上升，上游企業對質量的要求更嚴格，同時，國內很多機械加工行業面臨著用工荒、用工難。由于中西部開發，很多人已經不樂意背井離鄉出外打工，而且，80后90后作為用工主力，已經不樂意每天重復機械的勞動，這就導致了管理困難性和復雜性。如此一來，就迫使加工企業尋求采用自動化單機、自動化生產線等方式將勞動者從機械重復的簡單勞動中解放出來，同時可以保證產品質量的一致性。數控機床的自動化發展就成為一種必然趨勢。數控機床加裝自動上下料機構實現單機自動化是自動化加工發展的初期階段。做好自動化單機，是數控機床自動化的基礎。本文討論的自動上下料機構，為經濟型自動上下料機構，不包含機器人。從成本角度講，機器人并不適合于與經濟型數控機床配合工作，也并不能被大部分的機加工企業所接受。

1 目前市面常見的經濟型數控車床的自動上下料機構種類

1.1 振動盤選料、定方向，將工件排成特定的姿態，料槽輸送工件到機床內部，氣壓驅動的導軌傳遞工件式；

1.2 振動盤選料、定方向，將工件排成特定姿態后，料槽式輸送到機床內部，利用機床拖板運送工件式；

1.3 工件放置在托盤上，托盤分行運動，桁架式機械手抓取工件，利用機械手抓取托盤上的工件，將工件送到機床主軸上，并可以利用機械手將工件從主軸上取下。

當然還有其他種類，但基本類似，可以歸入其中。其中振動盤有專業化廠家生產，一般采用外購機械本體和控制部件的方式，比較成熟，在此不討論。

下面以第一種結構，即振動盤選料，定方向，料槽輸送工件到機床內，氣壓驅動的導軌傳遞工件方式為例，分析控制系統的設計。

2 實例及結構構成，需要控制的運動數量和工作順序簡述

2.1 典型結構圖

2.2 運動部件。推料氣缸1，負責將料槽內的工件推入取料斗內。推料氣缸2，負責當取料斗下降到主軸中心時，將工件推入主軸上的夾頭內。升降氣缸，負責拖動取料斗上下運動，將工件從料槽高度運送到主軸中心高度。主軸尾部的回轉氣缸，負責彈簧夾頭的夾緊和松開動作。每個氣缸的氣管接頭采用調速接頭，便于調整運動速度。

2.3 運動部件的控制和檢測。推料氣缸1和2，兩個氣缸分別由2個4V210單電磁鐵電磁閥控制，氣缸活塞帶磁環，每個氣缸上有兩個CS-1磁控開關檢測極限位置。升降氣缸為了調整方便，采用4V230的雙電磁鐵電磁閥控制。

回轉氣缸采用4V230雙電磁鐵電磁閥控制，因為行程只有2～3mm，檢測開關精度有限，無法可靠檢測，只利用壓力開關PK-510檢測工件夾緊后的氣缸壓力。

料空檢測開關，用于檢測料槽中是否有工件，采用接近開關PM12-04N型。

2.4 工作順序。機構初始狀態：升降氣缸在上位，推料氣缸1和2均為縮回狀態，取料斗內無工件，主軸夾頭上可以有工件，也可以沒有。拖板在安全位置，氣缸動作不會與機床干涉，此處需要調試者目測。

2.4.1 取料動作：升降氣缸上位檢測on，料空檢測開關on，推料氣缸1伸出，將工件推入取料斗內。檢測到推料氣缸1伸出位on后，延時T1秒，推料氣缸1退回。檢測到推料氣缸1回退到位信號on，取料動作完成。如圖所示的圓柱形工件，推料氣缸1頭部縮回后，工件即依靠重力順序滾下，由料槽控制位置。

2.4.2 彈料動作：主軸上的回轉氣缸松開，將彈簧夾頭松開，夾頭內的工件由夾頭內的彈簧桿彈出，延時T2秒后，彈料動作完成，工件掉落入特定的接料斗內。

2.4.3 上料動作：升降氣缸下行，下行到位開關on后，延時T3秒，推料氣缸2伸出，利用推料桿將工件推入主軸上的彈簧夾頭內。推料氣缸2伸出到位信號on，延時T4秒后，回轉氣缸夾緊，使主軸上的彈簧夾頭夾緊工件，氣缸壓力提升后PK-510壓力開關on，表示工件已夾緊。推料氣缸2回退，回退到位開關on后，升降氣缸上升，升降氣缸上位檢測開關on。上料動作完成。

2.4.4 機床加工，加工完成后從2.4.1循環工作。

3 控制系統設計

3.1 系統功能

3.1.1 應提供兩種工作狀態，即手動操控和自動運行兩部分。并提供狀態切換開關，對自動和手動兩種工作狀態進行轉換。

3.1.2 提供急停功能，保證在任何時刻可以快速將機床及自動上下料機構停住，提供安全保證。

3.1.3 報警功能，提供機構運行的報警信息，便于查找運行中發生故障的部位，包括循環超時報警，料空報警，急停報警三種功能。經濟型數控系統不可以修改內置的PLC控制程序，因為數控系統指令運行的順序執行特點，無法實現循環超時報警的功能。此功能由PLC實現。料空報警由PLC在特定時間檢測料空信號判斷。急停報警由急停開關觸發。電路設計時，急停開關選用兩個常閉開關，一個觸點連接到數控系統的X1.1引腳ESP信號上，另一個觸點連接到PLC的X0輸入點。達到按下急停開關機床和PLC同時停止工作的功能。

3.1.4 聯機通訊功能，如系統中引入PLC控制，需要考慮二者之間的通訊協調。

3.1.5 是否引入PLC控制的分析：如果所有動作均由數控系統完成，因為數控系統讀取和處理指令的順序性特點，意味著所有動作只能串行操作。而根據實際情況，2.4.1的取料動作和2.4.2的彈料動作，是可以同步執行的。如果數控系統開啟雙通道，則意味著成本的急劇上升，一般會增加上萬人民幣的成本。利用一塊簡單的PLC，即可實現雙通道控制，實現上料結構和數控機床的同步運行，節約寶貴的加工時間，是非常劃算的。單件節約2秒，按照月產量二十萬件計算，即可節約111小時，約合13個工作日。所以，引入PLC控制。

3.1.6 機床主軸工件夾緊由PLC控制還是機床本身控制的分析：一般的數控車床系統對于主軸自動夾緊和尾座自動頂緊功能與主軸的旋轉具有互鎖控制，即卡盤未夾緊或尾座未頂緊時，主軸不會啟動，以保護機床和操作者，避免誤操作造成的工件飛出的重大事故。所以在此選擇工件夾緊的自動控制仍由機床數控系統操控，PLC不控制機床主軸的夾緊。

3.2 系統構成

3.2.1 數控系統：本機床為經濟型數控車床，數控系統采用實惠可靠地廣州數控GSK928TEa系統，該系統在業界裝機量大，使用廣泛。GSK928TEa車床數控系統，采用32位高性能工業級CPU構成控制核心，實現μm級精度運動控制，系統功能強，性能穩定，界面顯示直觀簡明、操作方便。本系統在操作、安全、加工精度及加工效率方面具有突出特點，可與廣州數控設備有限公司自主開發制造的交流伺服驅動裝置（驅動單元、伺服電機）匹配使用，也可按客戶需求配置其他的驅動裝置。GSK928TEa系統標準配置具有M21、M23兩個輸出點，平床身數控車床一般匹配排刀架或者是四工位電動刀架，只需要使用系統中8個工位檢測中的4個，即T0-T7中的T0-T3四個檢測點，所以后面四個監測點可以引出，作為自動上下料機構使用。選用M21O（X1.28引腳）和M23O（X1.29引腳）作為兩個輸出點與PLC通信。M22指令用于取消M21O，M24指令用于取消M23O。輸入點采用刀架信號T7（r006：X2.15引腳），T8（r007：X2.8引腳），詳見數控系統說明書的P305頁。

3.2.2 PLC的選擇。①輸入輸出表（如上表）。其中Y6和Y7控制三色自動閃爍報警燈，Y10-Y20驅動發光二級管，用于在控制面板上顯示各部件運動狀態。根據輸入輸出表格，總共有16個輸入點，17個輸出點。選用無錫信捷XC2系列PLC，48點型。型號為XC2-48RC，繼電器輸出，DC24V電源，該型號有28點NPN輸入，20點繼電器輸出。

②正常工作時的自動加工時序圖：

3.3 控制部分電氣原理圖

3.3.1 數控系統中與自動上下料有關的電器部分原理圖：

3.3.2 PLC控制的電氣原理右圖1。

3.3.3 中間控制電路原理圖

3.4 氣動原理圖（見右圖2）

3.5 數控程序和PLC控制程序

3.5.1 數控程序。下面給出數控程序中與PLC協同工作部分，其余按照數控系統說明書和加工工藝進行編制，不是本文重點，不予給出。

3.5.2 PLC控制程序

4 總結

數控機床的自動化加工是世界的一種趨勢，數控機床增加自動上下料機構后，實現了自動化加工，一般由一個人操作兩臺機床可以擴展到一個人操作六到八臺機床。大大節約了人力，將工人從機械重復的工作中解放出來。從效率上講，一般上下料時間5秒左右，可以和人工操作媲美。從成本上講，增加的投資僅相當于節省出來人工一年的工資費用。工人不再從事簡單的重復勞動，減輕了工作強度，同時也大幅度減少工傷等情況的發生，節約了邊際成本。所以，數控機床的自動化發展，具有多方面的優勢。值得推廣。

參考文獻：

[1]陳冬冬，沈坤，劉一波，韓軼.橢圓和拋物線宏程序在數控車床上的應用[J].價值工程，2010（06）.

[2]楊林波.數控車床加工穩定性影響因素分析[J].價值工程，2010（34）.

[3]徐興泰.在數控車床加工中刀具位置補償的應用[J].價值工程，2010（35）.