PLC在加工中心ATC装置中的应用.doc

PLC在加工中心ATC装置中的应用作者：湖南软件职业学院 陈慧君 李跃军随着我国新型工业化的进程，数控加工中心等机床在机械制造业中的应用范围和水平有了很大的提高，特别是箱体类零件和复杂曲面零件非常适合在加工中心上完成多工序加工。加工中心是目前世界上产量最高、应用最为广泛的一种数控机床，加工中心综合机床为了能在工件一次装夹中完成多种工序的加工，以缩短辅助时间，减少多次安装工件所引起的误差，必须带有ATC(自动换刀)装置，因此加工中心的加工能力和效率比普通的数控铣床有了很大的提高。自动换刀系统的性能将直接影响机床的换刀效率和机床的加工性能。由于加工中心是一种高技术含量的机电一体化产品，自动换刀装置的控制系统本身及相关机械结构的复杂，因此在实际的生产维护、维修过程中，需要技术人员具备较高的机电复合知识和技能。现代数控机床的各种自动换刀装置均是利用PLC(可编程序控制器)实现软件选刀和控制换刀，即利用PLC的存储记忆等功能进行识刀和选刀，这样刀库上的刀具与主轴上的刀具可任意交换，即随机换刀。所以维修人员应充分利用数控系统中内置的或外置式的PLC信息，根据自动换刀控制的工作原理，结合PLC梯形图分析逻辑关系，查询PLC的I/O接口状态，分析故障产生的原因，确定故障发生的部位，快速准确地排除故障。在加工中心等数控机床的实际生产应用过程中，自动换刀系统是发生故障最频繁的部件之一，远高于其它部件或系统，据统计换刀装置的故障约占常见故障数的1/3。但是，由于一般的数控机床主机厂商都是外购ATC装置，因此，机床厂很少能把ATC的控制原理和结构图纸提供给实际用户，这也给我们的维护维修带来了不便，本文正是基于上述现状，希望通过详细分析三菱PLC在加工中心ATC控制中的应用来帮助理解和分析同类装置的控制原理和维修方法。1 ATC的基本结构和动作过程目前在立式加工中心中应用最广泛的是带机械手与刀库的换刀方式，图1为台湾某厂生产的盘式刀库机械手ATC装置，图2为其内部结构简图。刀库整体安装在立柱侧面、操作者面对机床时的左手位置，即两种型式刀库的安装结合部位相同。刀库换刀工作时有三个基本动作，即刀库分度转位、刀套翻转、机械手换刀。刀具交换过程如下：在机床加工过程，刀库预先按程序中的刀具指令将准备空换的刀具转到换刀位置，加工完毕执行换刀指令.主轴移动到换刀位置并准停，机械手的手臂逆时针旋转75O，两个手爪同时抓住主轴和刀库中的刀具，机械手向下拔出刀具，机械手臂逆时针旋转l80 O，机械手上升将新刀插入主轴的同时也将旧刀插入刀库，机械手臂顺时针旋转75O，回到初始位置，换刀过程结束。在上述过程中，需要应用PLC完成的自动控制主要包括接收新刀号、计算目标地址、确定刀库回转方向及回转角度等。2 ATC换刀方式及功能实现根据刀具与刀库的位置关系可将刀库分成两类：一类是刀具在刀库中的位置固定不变，称为机械随机控制。根据来自机床刀库的位置信息和T命令按照给出的命令控制系统决定刀库的旋转方向要求的步数等，每个刀具和刀套(刀鞘)有一一对应关系，通常在主轴和刀库之间以“中间刀套”提供换刀，不用ATC命令而用ROT命令也可以进行此控制;另一类是刀具在刀库中的位置会发生改变，即当刀库旋转时，刀库号和刀具号之间的关系会发生改变，也称为记忆模式随机控制。根据来自机床刀库的旋转或位置的信息控制系统指出储存在自动模式中的刀具号刀库的寻址刀库旋转的方向和步数由给出的T命令和储存在自动模式中的刀具号确定，每个刀具和刀套(刀鞘)并不总是有一一对应关系，通常不提供“中间刀套”。三菱系统PLC自动换刀 (ATC)和旋转刀库 (ROT)专用命令(如表1)要把握住换刀过程的两个基本动作：刀库定位和旋转。刀库定位即确定刀库当前的位置;刀库旋转即确定从刀库当前刀位转到目标刀位的旋转方向和步数。对于第一类刀库通常采用固定指针系统，刀库旋转时刀套与刀具号之间的关系是固定的，通过环形计数器记录当前刀位的刀号来确定刀库的位置，再根据T命令给出要求变换的刀具号作为目标刀号，由旋转体转位命令(ROTK1)来确定刀库的旋转方向和步数。由于这种刀库中刀具的位置唯一确定，一般不使用刀具搜索命令(ATCK1)。对于第二类刀库，刀具在刀库中的位置随着刀库的旋转发生变化，根据刀具数据表中刀具号与刀库号(指针)相对位置的变化方式可分为浮动指针系统和刀台旋转系统，见图3。浮动指针系统即刀具数据表中刀具号在刀盘中的位置固定不动而刀库号(指针)随刀库的旋转而发生变化，变化方式由指针向前、反向旋转命令(ATCK5、ATCK6)来控制，确定当前刀位所对应的刀具号。刀台旋转系统是刀具数据表中刀库号(指针)的位置固定不动而刀盘中的刀具号随刀库的旋转而变化，变化方式由刀台向前、反向旋转命令(ATCK7、ATCK8)控制，确定当前刀位所对应的刀具号。在浮动指针系统和刀台旋转系统中刀库的位置由记录当前刀位号的指针来确定，并且在刀台旋转系统中指针始终为零，即指向数据表的起始处。这类刀库是刀具的位置不唯一确定，换刀过程与第一类刀库有所不同：首先由指针(记录当前刀位号)确定刀库位置，根据T命令给出的要求更换的刀号，由刀具搜索命令(ATCK1)找到所要求更换的刀号，把输出在刀库中的位置(刀库号)作为旋转体转位命令(ROK1)中的目标刀号，利用该命令来确定刀库的旋转方向和步数，最后利用换刀命令(ATCK3、ATCK4)将要求更换的刀具与被更换的刀具的数据进行交换。3 三菱PLC在ATC中的应用通过对加工中心换刀过程分析，可以总结出在T命令或刀具改变命令期间ATC和ROT命令的使用顺序和换刀过程，见图4。三菱PLC专用命令在换刀过程中的梯形图程序见图5。如刀库上可装16把刀具，刀具在刀库中的位置唯一确定，因此属于第一类刀库。换刀过程采用固定指针系统，通过环形计数器命令(ROT K3)记录当前刀位的刀号来确定刀库位置。利用旋转体转位命令fROT K1)来确定刀库旋转方向和步数。其换刀过程是：在刀库旋转时，利用环形计数器命令记录当前刀位的刀号来确定刀库位置，由T命令来确定所要更换的刀具号并作为目标刀位的刀号，利用旋转体转位命令(ROT K1)来确定刀库旋转方向和步数(根据最短路径原则)。4 结束语本文分析了在三菱E60-CNC系统中的PLC控制ATC自动换刀的过程，针对不同种类的刀库及不同的数控系统，如西门子CNC和FANUC 等，其换刀过程和原理均相似，领会并掌握数控系统PLC对ATC的控制功能，将有助于灵活分析刀库换刀过程中出现的故障，