基于PLC的刀庫自動換刀控制系統設計

曹東級，柳毅，陳劍鋒，陳思思

（泉州信息工程學院，福建泉州，362000）

0 引言

據統計，在我國加入世界貿易組織的20年間，配備有自動換刀刀庫的數控機床已經向國外輸送了接近60萬臺，這對于提升國內GDP和制造業的發展有著非常重要的作用。自動換刀刀庫與機械制造業的關系屬于密不可分的關系，隨著科技的逐漸提升，機械裝置以其高質量以及高效率漸漸淘汰了普通的機床，自動化生產設備的技術逐步上升，機械制造業即將面臨巨大的挑戰和機遇。因此，針對提高數控加工中心的加工效率、縮短換刀時間確保加工精度等問題的研究具有一定的現實意義和價值。

針對刀庫自動換刀控制系統的研究成為眾多學者關注的方向，在1991年到1995年期間，在重慶市科學研究所科研人員的不懈努力下，順利研發出了國內首臺固定式動態自動換刀刀庫。2011年，董鋒等人[1]提出了一種加工中心盤式刀庫自動換刀控制系統設計，側重外圍電路的研究，采用PWM脈沖和I/O電路中采用光隔，在系統穩定性方面有極大的提升。2014年，陳琳等人[2]針對復雜零件加工的自動換刀問題，優化了PLC的通信，保證多軸運動控制器可以有效通信，設計了一種特種復合加工中心的自動換刀系統。2015年，楊伯金等人[3]為了實現就近選刀和快速換刀，在PLC程序的控制邏輯方面做了大量的研究工作，研發出一種盤式伺服刀庫自動換刀系統。在2018年，王蕊等人[4]采用了一種新型的換刀系統，優化了刀庫控制系統的基本結構，在硬件配置和軟件設計也進行了升級，從而提高了換刀的速度和加工精度。2021年，高文嬙等人[5]針對刀庫式加工中心自動換刀系統故障診斷與維修做出了詳細的分析，讓研究人員能從另外一個角度研發新型的自動換刀系統。

現階段數控加工中心因其刀庫刀具種類較多，可以完成較復雜的工件，因此加工中心的應用越來越廣泛，但在應用中刀庫選刀中出現的問題也普遍存在，故障的出現也影響了生產效率，為了給設備的維護和維修提供理論依據。本文以江蘇德速智能機械股份有限公司生產的ADKY圓盤系列（BT40）刀庫為研究對象，設計了一套了圓盤式刀庫自動換刀系統控制系統，可以實現自動換刀系統的精確選刀定位和快速換刀。

1 刀庫自動換刀機械系統的基本原理

本文以東莞市托馬斯精密機械有限公司生產的立式加工中心VMC650的圓盤式刀庫為研究對象，其機械結構如圖1所示，半徑350mm，厚度250mm，最多可容納24把刀柄。刀庫自動換刀機械系統主要由ATC電動機、雙爪式機械手、氣缸、活塞桿、位置刀套、刀盤等組成。刀庫自動選刀機械系統主要是接收信號通過電機旋轉選擇接下來加工需要的刀具，并使用機械手完成刀具轉換到主軸上。刀庫提供自動換刀和儲存刀的功能，通過控制計算機程序，可以完成這些不同的操作條件，銑、鉆、線、攻絲等。它減少了工作時間，降低了成本。刀庫和換刀機械手必須同時存在，如果沒有刀庫就無法事先準備好需要的刀具，沒有換刀機械手就無法進行刀具的交換。

圖1 刀庫自動換刀機械系統結構

刀庫自動換刀控制系統主要完成刀具運動、刀套翻轉運動、機械手換刀三個動作。刀庫自動換刀系統的基本工作流程是：首先數控系統收到換刀指令，刀庫通過電機正反轉至選定指定刀號，氣缸推動刀杯翻轉90度垂直向下，同時主軸抬高至換刀參考點并完成主軸定向，此時機械手執行換刀動作，其動作包含：（1）機械手旋轉卡住刀庫刀柄與主軸刀柄；（2）將刀庫刀柄與主軸刀柄下拉180mm；（3）機械手旋轉180度；（4）機械手抬高180mm同時將刀柄裝入刀庫與主軸；（5）機械手回正。

2 硬件電路設計

■2.1 電源電路

控制系統電源接線如圖2所示，供電電源為AC380V，需經過隔離變壓器把AC380V轉變為AC220V，然后需要經過斷路器，其作用是避免觸電和提高抗干擾能力。采用PLC供電，其輸入/輸出回路的電源為DC24V，選用型號為S-150-24V的AC220V/DC24V直流穩壓電源。電源指示燈起到警示作用，亮了說明現在電源處于接通狀態。

圖2 電源接線圖

■2.2 控制系統的電路設計

2.2.1 IO分配表

為了便于PLC接線圖的繪制和PLC程序的編寫，將每一個輸入/輸出設備與PLC的輸入/輸出點進行定義，其IO分配如表1所示。

表1 IO分配表

2.2.2 PLC的IO接線圖

在本次設計中，首先把當前的設備PLC輸入/輸出端的圖紙設計出來，然后根據當前項目的工藝要求設計出當前設備的具體PLC接線圖，以便在編程過程中更加明確當前設備需要多少個輸入/輸出點，具體設備PLC每個管腳接線圖如圖3所示。

圖3 PLC接線圖

2.2.3 電機接線圖

如圖4所示，設備工作器件三相電機在工作時需要用到三相動力電，而且會發生故障，此時如果在設備進線端加裝空氣保護開關一套，這樣在電機出現故障的時候會起到保護當前設備電機的作用，從而不會影響設備中的其它器件工作。三相動力電通過交流保護空氣開關的上端進入后，其下端頭的空氣保護開關接入到交流接觸器上端頭后，則動力電源交流電220V接通后。電機正常工作主要是根據PLC的指令來執行的，若交流接觸器線圈的電吸合，常開觸點接通，此時電機就開始正常工作。

圖4 電機接線圖

■3.1 程序主流程圖

根據設計要求，控制系統的程序主流程如圖5所示。

圖5 程序主流程圖

■3.2 控制系統程序設計

3.2.1 選擇刀號傳送程序

如圖6所示，當輸入繼電器X4接通后，那么這個時候輸入繼電器X4把當前的位置2傳送到數據寄存器地址D100里面這樣進行當前的后面的程序比較。

圖6 位置傳送塊程序

3 控制系統的程序設計

3.2.2 當前刀號位置傳送程序

如圖7所示，當程序自動運行到網絡72處后，那么這個時候程序自檢測當前的輸入繼電器X14是否接通工作，如果接工作后，那么這個時候常數2被PLC自動傳送到當前的數據寄存器D102里面，與此同時輸入繼電器X15如果接通后，那么這個時候數據寄存器常數3也傳送帶數據寄存器D102里面。

圖7 刀庫位置傳送程序

3.2.3 電機正反轉判斷程序

如圖8所示，當程序啟動時先判斷選擇刀號D100和當前刀號D102的大小，M10是當D100大于D102的時候接通，然后計算其差值并儲存在D300數據寄存器里面，然后在判斷D300中的數據是否大于四，如果是電機就進行反轉，否則電機就正轉，M12是當D102大于D100時的情況，條件不同，得到結果也不同，剛好完美地與刀庫選刀相結合，根據當前刀號和目標刀號的最近距離選擇刀庫正反轉，達到快速選刀的目的。

圖8 刀庫正反轉判斷程序

3.2.4 機械手氣缸工作程序

如圖9所示，當輔助繼電器M1接通后，刀套和機械手垂直氣缸電磁閥開始接通，完成刀套翻轉和機械手垂直移動。當兩者移動到位時，碰到限位開關，此時便開始機械手地正轉取刀庫的刀，4s后，機械手開始夾緊2s后開始反轉，放松2s等待主軸取刀，然后正轉回初始位置，刀套和機械手回歸原位。

圖9 機械手氣缸動作程序

3.2.5 故障指示燈

如圖10所示，當M1接通也就是選刀號與目標刀號一致，刀盤停止，準備換刀時刀套翻轉和機械手氣缸推動桿超過10s沒有碰到限位開關時，此時，故障指示燈就會被接通，提醒工作人員出現故障。

圖10 故障指示燈

4 控制系統組態設計

本次系統采用KingView組態軟件，該軟件產品功能強大，電氣工控設備資源豐富，可以按照功能需求來設計圖形，配合定義數據變量和編輯邏輯命令達到想要的效果。組態王監控畫面如圖11所示，通過當前組態王模擬量，可以進行當前設備監控的模擬，從動畫里面可以判斷當前程序的正確性和可行性。

圖11 監控畫面

點擊右鍵進入動畫，點擊選擇刀號前方的數字，會彈出一個對話框如圖12所示，這個變量設置了1～8的區間代表了刀號，超過這個區間就會報警。刀盤根據當前刀號和目標刀號來判斷并進行正反轉。當選擇的刀號和目標刀號一致的時候，刀盤停止，然后刀套和機械手進行動作，到位后機械手開始正轉取刀，夾緊并反轉，然后機械手松開，全部返回原位。

圖12 輸入選擇刀號畫面

如圖13所示，刀庫選刀組態程序里面還有許多功能可以設置多個物體多種效果，配合起來可以達到各種各樣的效果，功能十分強大。例如，水平移動、閃爍、隱模擬值輸入等，都是本次設計中有使用到的。

5 結束語

本文設計了一套基于PLC的刀庫自動換刀控制系統，介紹了刀庫自動換刀機械結構的工作原理，完成了刀庫自動換刀控制系統硬件電路方案的設計、PLC程序的編寫、組態軟件的設計及調試、組態模擬的運行調試等工作，可以實現了快速高效地換刀，很大程度上提高了數控加工的效率。通過功能測試可以得到以下結論：

圖13 組態變量定義界面

（1）優化了刀庫自動換刀的控制邏輯，選刀定位精準，減少了換刀的時間，避免了操作過程中的低級錯誤；

（2）刀庫自動換刀系統適用性強，特別適合加工多個工序連續換刀的復雜零件，減小了多次安裝刀具所帶來的誤差，提高加工精度；

（3）系統控制簡單，制造成本低，維護簡單，組態界面良好，系統運行穩定，具有一定的抗干擾能力。