農機制造中的盤式刀庫電氣控制分析與設計研究

唐志瑤

（黑龍江工商學院，黑龍江 哈爾濱 150000）

目前，常見的刀庫形式有盤式、鏈式、鼓式等，其中，盤式刀庫由于具有結構緊湊、占地面積小、換刀速度快、刀具數量多等優點，逐漸成為農機制造中較為流行的一種選擇。然而，盤式刀庫的電氣控制系統設計是一個復雜而關鍵的環節，它涉及多個傳感器、執行器、控制器等元件的協調和配合，以及多種換刀模式和算法的實現。本文旨在探討一種農機制造中的盤式刀庫的電氣控制分析與設計方法，并對其性能進行測試和評價。

1 農機制造盤式刀庫簡析

農機制造中，刀庫是加工中心的重要組成部分，它可以實現刀具的自動交換，提高加工效率和精度。刀庫的形式有多種，其中一種是盤式刀庫。盤式刀庫是指將刀具沿圓周均勻布置在一個旋轉的圓盤上，通過PLC 控制系統根據T 代碼選取相應的刀具號，然后由一個機械手臂完成換刀動作。盤式刀庫結構緊湊，占地面積小，適用于小型加工中心。同時，其換刀速度快，鄰刀之間的換刀時間一般在2 s～4 s 內[1]。與常規刀庫相比，盤式刀庫的刀具數量多，一般可達24～40 把，滿足多種加工需求，其PLC 控制系統還可永久記憶刀具號和刀套號的對應關系，關機后不用回零即可恢復工作狀態。

2 盤式刀庫的結構設計探索

2.1 工作原理和換刀過程

盤式刀庫由一個固定在機床上的盤體和一個能夠沿水平方向移動的機械手組成，盤體上有多個刀位，每個刀位都有一個編號，用于存放不同類型和用途的刀具。機械手能夠在盤體和主軸之間進行拔刀和插刀的動作，實現刀具的交換。當數控系統收到換刀指令后，主軸停止轉動并移動到換刀位置，同時盤體旋轉到指定的刀位，使待換的新刀與主軸對準。機械手向前伸出，將新刀從盤體上取下，并將舊刀從主軸上取下，然后將兩把刀具進行180°的旋轉，將新刀插入主軸孔中，并將舊刀放回盤體上原來的位置。最后機械手回到原點，主軸夾緊新刀，并返回加工位置，完成換刀過程[2]。

在換刀方式方面，盤式刀庫可以分為順序選刀、隨意選刀和計算機記憶選刀三種。順序選刀要求按照工藝過程的順序將刀具安置在盤體上，并按照順序逐一取用。隨意選刀允許將任意編號的刀具安置在任意位置，并通過地址T 指出所需的刀位編號。計算機記憶選刀則是通過計算機或可編程控制器來記錄每個編號的刀具所在的位置，并根據需要自動調整盤體的角度。

2.2 主要參數和尺寸

盤式刀庫的主要參數和尺寸是根據刀具的規格、數量、重量、長度、外徑等因素確定的，常見的盤式刀庫參數和尺寸如表1所示。

表1 常見參數尺寸

本文設計的盤式刀庫容量為24 把，刀具規格為BT40，刀具最大外徑為150 mm（鄰空刀狀態），刀具最大長度為350 mm，刀具最大重量為8 kg，換刀時間為3.5 s（刀對刀）。在傳動方式和傳動元件方面，盤式刀庫的傳動方式主要有兩種：一種是直接驅動方式，即通過電機直接帶動圓盤轉動；另一種是間接驅動方式，即通過齒輪、鏈條、槽輪等傳動元件來實現圓盤的轉動[3]。本文設計的盤式刀庫采用間接驅動方式，使用槽輪機構來實現圓盤的分度轉位。槽輪機構由槽輪、齒輪、電機等組成，具有結構簡單、工作平穩、效率高等優點。除此之外，盤式刀庫的關鍵部件還有圓盤、倒刀機構、氣缸、機械手等。這些部件在工作過程中承受著較大的載荷和磨損，因此需要保證其強度和壽命。本文針對這些部件進行了材料選擇、尺寸計算、強度校核等設計工作，以確保其滿足工作條件和使用要求。盤式刀庫采用45#鋼作為主要材料，該材料具有較高的綜合機械性能，經過熱處理后可以達到較高的硬度和強度，同時也具有較好的可鍛性和可切削性。刀具圓盤直徑為800 mm，厚度為50 mm，孔徑為50 mm。倒刀機構的尺寸根據圓盤的孔徑和刀具的規格確定，氣缸的尺寸根據倒刀機構的行程和所需推力確定。刀庫采用槽輪機構來實現圓盤的分度轉位，因此圓盤在工作過程中主要承受槽輪傳遞的轉矩和自重產生的彎矩。

3 盤式刀庫的電氣控制設計分析

3.1 PLC型號和輸入輸出模塊

本文選擇西門子S7-300 模塊式PLC，其具有高性能、高可靠性和高擴展性，適用于中等規模的控制任務。它可以通過不同的通信模塊與其他設備進行數據交換，也可以通過編程軟件進行方便的編程和調試。輸入輸出模塊方面，分為以下四個部分：

1）數字量輸入模塊。SM321-1BH02-0AA0，該模塊為16 點繼電器輸入模塊，可以接收開關量信號，如傳感器、開關等。它采用SINK 輸入方式，即公共端為負極，輸入端為正極。

2）數字量輸出模塊。SM322-1BH01-0AA0，該模塊為16 點繼電器輸出模塊，可以輸出開關量信號，如電磁閥、繼電器等。它采用SOURCE 輸出方式，即公共端為正極，輸出端為負極。

3）模擬量輸入模塊。SM331-7KF02-0AB0，該模塊為8 點電壓/電流輸入模塊，可以接收模擬量信號，如溫度、壓力、位移等。它可以根據不同的信號范圍進行配置和校準。

4）模擬量輸出模塊。SM332-5HF00-0AA0，該模塊為4 點電壓/電流輸出模塊，可以輸出模擬量信號，如速度、力矩、位置等。它也可以根據不同的信號范圍進行配置和校準。

3.2 PLC程序編寫

本文使用語句表作為編程語言，程序的結構框架包括三個部分。第一是初始執行，用于初始化PLC的輸入輸出狀態、清零軟元件的數值、設置換刀模式（順序換刀或隨機換刀）等。第二是掃描執行，用于實現盤式刀庫的主要控制邏輯和算法，掃描執行包括多個模塊，如換刀請求，即用于檢測換刀信號，確定換刀目標位置，啟動換刀過程。同時，還包括盤式轉動，即用于控制盤式電機的正反轉和停止，使盤式與換刀目標位置對齊。第三是周期執行，用于定時執行一些輔助功能，如故障檢測、報警輸出、數據存儲等。

代碼摘錄片段如下：

3.3 電路保護和抗干擾措施

為了保證盤式刀庫的電氣控制系統的安全可靠，本文采取了多種電路保護措施和抗干擾措施。例如，在電源線上安裝了過壓、欠壓、過流、短路等保護裝置，防止因電源異常造成的損壞。同時，還在輸入輸出模塊上安裝了隔離器、濾波器、穩壓器等元件，隔離和過濾外部的噪聲信號，提高信號的穩定性。刀庫方面，驅動電機上安裝了過載繼電器，當電機負載過大時，其能夠自動切斷電源，保護電機。刀庫傳感器也安裝了抑制二極管，能夠吸收感應線圈的反向電動勢，防止對PLC 造成損傷。除此之外，本文還在刀庫的控制線路上采用了屏蔽線，并將屏蔽層接地，能夠減少電磁干擾[4]。布線方面，盡可能地減小了回路環的面積，避免形成天線效應[5]。這些措施能夠有效保護電路，同時減少干擾帶來的負面影響，措施細節如表2所示。

表2 措施細節一覽

4 成品調試

為了評價農機制造盤式刀庫的性能，本文設計了換刀時間、換刀精度、換刀可靠性三個指標[6]。換刀時間是指從開始換刀到完成換刀的時間，包括盤式刀庫的旋轉、定位、鎖緊、松開等動作[7]。換刀時間越短，說明盤式刀庫的效率越高。換刀精度是指換刀后的刀具與機床主軸的同心度和垂直度誤差[8]，誤差越小，精度越高。換刀精度越高，說明盤式刀庫的精密度越高[9]。換刀可靠性是指換刀過程中不出現故障的概率。換刀可靠性越高，說明盤式刀庫的穩定性越高[10]。

本文根據試驗數據，計算了各項性能指標，并與其他類型的刀庫進行了對比，結果如表3 所示。

表3 各項指標一覽

從表3 可以看出，盤式刀庫在換刀時間、換刀精度和換刀可靠性等各方面都優于其他類型的刀庫，表明其具有較高的性能水平。

5 小結

本文首先簡要分析了盤式刀庫的工作原理和結構設計，并確定了刀庫主要參數和尺寸；然后選擇了西門子S7-300模塊式PLC作為控制器，并使用語句表作為編程語言，介紹了盤式刀庫的順序選刀、隨意選刀和計算機記憶選刀三種模式。本文為農機制造中盤式刀庫的電氣控制系統設計提供了一種可行且有效的方法，并為相關領域的研究提供了一定的參考。