基于PLC的雙刀架數(shù)控車床控制系統(tǒng)設計

李紅雷 張云鴿

（運城職業(yè)技術(shù)大學 山西省運城市 044000）

雙刀架數(shù)控車床用于加工堵頭，也適用于盤類零件的批量生產(chǎn)。堵頭進行外圓和內(nèi)孔的加工，傳統(tǒng)加工每次只能加工單面，需進行兩次加裝夾，效率低下，采用雙刀架數(shù)控車床，一次裝夾即可實現(xiàn)同時兩面的同時加工，提高了加工效率，采用工業(yè)機器人進行上下料，減少人工，提高人員安全性，提高經(jīng)濟效益。

1 雙刀架數(shù)控車床系統(tǒng)的機械設計

為了方便下道工序，需對堵頭外圓和內(nèi)孔的同時加工，使其符合要求。傳統(tǒng)機床加工時，對零件進行固定時，一般是采用夾具加緊外圈或內(nèi)孔，這就造成兩面不能同時加工，而且外圈和內(nèi)孔的同心度不能有效保證。

本系統(tǒng)采用單軸雙刀架進行加工，首先需在零件表面打定位孔，采用氣動夾緊零件兩側(cè)，有效保證零件加工時的穩(wěn)定性；由于固定點在零件正反面，因此不影響對零件外圓和內(nèi)孔的加工。僅用一個定位孔，無法有限固定加工件，至少需要兩個定位孔，定位孔位于圓盤上，在內(nèi)孔兩側(cè)，因此需對鉆床進行專業(yè)改造，同時安裝兩個鉆頭，同步打孔，可有效確保準確定位。

機床設計采用雙刀架，一把刀用于加工外圓，采用普通車刀即可，僅需進行X軸與Z軸兩個方向的運行；另一把刀用于加工內(nèi)孔，采用L型刀架，需進行X軸與Z軸兩個方向的運行，進刀需謹慎，以免與加工件發(fā)生碰撞，損壞車床及刀具。

2 雙刀架數(shù)控車床的電氣控制設計

車床主軸實現(xiàn)轉(zhuǎn)速可調(diào)，電機采用變頻器驅(qū)動；內(nèi)外刀的X軸、Z軸需精確走位，因此均采用伺服驅(qū)動，與普通數(shù)控車床一樣，各軸均需要相應的零位開關(guān)及限位開關(guān)。

車床電氣控制系統(tǒng)圖如圖2所示。

采用PLC作為主控器，同時在車床上加裝工業(yè)觸摸屏，以便進行控制參數(shù)設置與設備狀態(tài)參數(shù)展示。PLC采用開關(guān)量控制變頻器啟停，采用485通訊控制頻率的給定與狀態(tài)參數(shù)的讀??；采用方向信號和脈沖信號控制伺服驅(qū)動器。PLC還需對其他設備進行控制，如工件夾緊電磁閥、照明、散熱風扇等。

在PLC選型方面，因為PLC需要控制四個伺服電機，而每個伺服電機控制都需要高速脈沖信號，同時對于各刀來說，均需要走斜線（如加工倒角），此時需要運用插補運動指令，因此PLC選型需考慮運動控制功能。

3 雙刀架數(shù)控車床的控制程序設計

3.1 車床的自動控制程序執(zhí)行準備

3.1.1 外部器件參數(shù)設置

為滿足設備控制功能，首先需要對變頻器及伺服控制器的參數(shù)進行設置。針對變頻器，除了匹配電機參數(shù)外，還需要將變頻器控制方式選為V/F控制、運行命令通道選為端子運行命令、頻率源選為485通訊；伺服參數(shù)需根據(jù)實際設置電子齒輪比，需考慮電機編碼的分辨率、機械裝置的二級傳動比、框架皮帶齒輪的大小等，需使數(shù)控車床的脈沖當量設為0.001。這個時候發(fā)一個脈沖，絲桿要帶著托板走0.001mm。

3.1.2 初始化程序

圖1：加工件示意圖

每次開機后只需對各軸（即內(nèi)X、內(nèi)Z、外X、外Z）實行回原點操作?；卦c執(zhí)行過程為，回原點指令發(fā)出后，高速回原點，當檢測到原點開關(guān)后，減速運行，當速度為爬行速度后，反轉(zhuǎn)，以爬行速度返回，再次檢測到原點信號下降沿信號時，即停止脈沖輸出，同時將當前的絕對坐標值清零。在回原點過程中若出現(xiàn)意外，點擊“取消”，刀架立即停止運動。

各軸回原點后，即可執(zhí)行對刀操作，外刀對刀方法為：夾緊工件后，啟動主軸，然后按手動進刀開始試車外圓，目測車大約3mm后，記錄當前的位置信息，最后取下工件，測定所車工件的外徑及縱向臺階深度尺寸，即可通過計算得出外刀的坐標坐標。同樣方法，內(nèi)刀對刀時，進行試車，目測車大約3mm后，記錄當前的位置信息，最后測定所車工件的內(nèi)孔直徑、內(nèi)深度及工件厚度尺寸，即可測量即可通過計算得出內(nèi)刀的坐標信息。

系統(tǒng)其它參數(shù)設置，如轉(zhuǎn)速系數(shù)，用于設置工件外圓線速度，即輸入工件的外徑尺寸，機床會自動調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速與其相適應；內(nèi)、外Z速度系數(shù)是內(nèi)、外刀縱向進給速度相關(guān)的系數(shù)，推薦值30（0.3mm/r）；單刀量是指每刀進刀量；尾刀量是指最后一刀的加工余量；“內(nèi)刀補償”、“外刀補償”是為了解決因?qū)Φ墩`差造成加工誤差而設置的。

為了方便加工，需加工要求規(guī)格設置為參數(shù)組，通過序號，調(diào)用相應的加工規(guī)格，提高設備的通用性和可操作性。

3.1.3 車床半自動流程

系統(tǒng)初始化參數(shù)設置完成后，即可實現(xiàn)自動加工；將工件裝夾在工裝上，按操作面板上的“夾緊”按鈕，氣缸頂緊后按“自動”按鈕，機床同時對工件的內(nèi)孔及外圓按設定值進行加工。完成后內(nèi)、外刀分別退出，主軸停止轉(zhuǎn)動，按“松開”按鈕，取下工件，即可完成對工件的加工。

4 工業(yè)機器人上下料設計

圖2：雙刀架數(shù)控車床電氣圖

目前雙刀架數(shù)控車床上下料等操作均是人工操作，為了提高工廠自動化、智能化水平、減少人工，實現(xiàn)堵頭的全自動加工，因此有必要在機床上下料設計中應用工業(yè)機器人系統(tǒng)，工業(yè)機器人與數(shù)控車床相互配合，滿足工件的加工需求，利用工業(yè)機器人完成零件抓取、上料、下料、裝夾、移位等操作，節(jié)省人工成本，提高生產(chǎn)效率。

4.1 夾具設計

為方便工業(yè)機器人抓取、上料、下料等操作，首先需設計合適夾具，設計夾具夾緊工件的外圈，采用氣動機構(gòu)完成夾緊操作，選擇合理的氣缸行程，使夾具即可完成成品的夾取，也可進行原材料和半成品的夾取操作。

4.2 設備改造

為了使機器人和數(shù)控機床之間進行有序工作，要使加工工件的數(shù)控車床、打定位孔所用的鉆床實現(xiàn)遠控及自動操作。數(shù)控車床采用PLC控制，無需硬件改造，但系統(tǒng)采用工業(yè)機器人作為主控單元，因此數(shù)控加工需在外部（機器人）發(fā)出命令后，自動完成夾緊、關(guān)門、自動加工等步驟，需對程序加以改動，完成外部控制功能。鉆床為手動操作，因此需將鉆床改為自動加工，需將鉆床上、下行控制改為步進或伺服電機控制，同時需設備的啟停和加工改為自動或遠程控制，因此需對鉆床增加主控器，可采用小型PLC設備（如西門子S7200SMART等）。

數(shù)控機床的上料時，因工件固定有定位銷，而定位銷固定于主軸上，跟隨主軸一起轉(zhuǎn)動，而主軸采用變頻控制，自由停車，因此無法保證停車時定位銷一直在同一個角度，給機器人上料造成很大困難。采用三種方案進行解決：

（1）工業(yè)機器人上增加視覺檢測模塊，通過視覺模塊，算出車床主軸停車角度，傳送角度數(shù)據(jù)給工業(yè)機器人，工業(yè)機器人根據(jù)角度數(shù)據(jù)調(diào)整姿態(tài)，從而保證機器人能夠正常上料；

（2）工業(yè)機器人主軸驅(qū)動改為帶絕對值編碼器的步進或伺服驅(qū)動，通過編碼器信號的反饋和控制程序的編寫，保證主軸每次停機均在固定角度姿態(tài)，從而證機器人能夠以固定姿態(tài)上料；

（3）采用防反轉(zhuǎn)機械卡槽機構(gòu)，主軸正常時，機構(gòu)不動作，主軸反轉(zhuǎn)時，機構(gòu)卡槽使主軸卡在固定角度，保證主軸在每次上料前固定在一種姿態(tài)，從而證機器人能夠以固定姿態(tài)上料。

綜合比較，第一種方案因需增加視覺檢測設備，價格高；第二種方案比第一種方案造價低，但由于要更換驅(qū)動電機及相應設備，另外因增加伺服或步進電機的控制，機床PLC程序修改較大；第三種方案相對造價較低，可靠性高，變頻器低頻實現(xiàn)反轉(zhuǎn)控制也方便，機床PLC程序修改較方便，因此選用第三種方案。

5 雙刀架數(shù)控車床的控制系統(tǒng)設計

整個車床系統(tǒng)由工業(yè)機器人代替原有人工，因此本系統(tǒng)以工業(yè)機器人作為控制核心，工業(yè)機器人加裝I/O拓展模塊，鉆床、數(shù)控車床的狀態(tài)信號傳給工業(yè)機器人的數(shù)字信號輸入點，而工業(yè)機器人數(shù)字信號輸出點控制鉆床、數(shù)控車床啟、停、及其開、關(guān)門等動作。

為了保證系統(tǒng)安全可靠運行，在啟動之前系統(tǒng)會判斷工業(yè)機器人、上下料區(qū)、鉆床和數(shù)控車床是否符合運行條件，系統(tǒng)各組成部分無故障報警。工業(yè)機器人即可按設計的流程進行運行，包括自身運動、上下料、控制車床加工等。

機器人程序需按工作流程進行編寫。工業(yè)機器人移動到車床（包括鉆床和數(shù)控車床）附近安全位置時，需首先判定車床當前的狀態(tài)，確認處于空閑時，即可向車床發(fā)出開門信號，待確認車床開門狀態(tài)后，方可放置工件，但機器人運行至安全位置后，方可發(fā)出向車床發(fā)出關(guān)門及加工指令，加工完成取工件同理，保證正常加工流程，防止出現(xiàn)撞車。

6 結(jié)語

本文首先設計了合理的雙刀架數(shù)控車床系統(tǒng)方案，適用于堵頭自動化的加工，具有高度的自動化水平，使機床能夠滿足快速、大批量的生產(chǎn)要求，節(jié)省了人力資源成本、提高了機床利用率。