基于plc的刀库及自动换刀装置控制系统设计

基于plc的刀库及自动换刀装置控制系统设计

1总结2换刀过程监控该控制器使用飞利浦华晨-40mt蠕变装置作为控制器，并通过控制装置的引导按钮，以控制自动切割装置和自动切割装置。PLC通过逻辑运算控制伺服驱动器驱动伺服电机实现刀库的选刀运动的控制。选刀完成后,刀具处于换刀位置,PLC控制电磁阀动作,控制直线往复式气缸活塞运动,连杆机构与活塞相连带动刀套翻转及回转。PLC通过变频器控制ATC电机带动弧面凸轮箱完成机械手换刀;利用上位机实现对换刀过程的监控。控制系统的总体结构,如图1所示。3atc电机的刀盘转动控制控制系统发出换刀指令,PLC通过逻辑运算确定盘式刀库的运转方向及刀位数进行选刀。选刀过程中伺服电机通过驱动圆柱分度凸轮旋转来带动盘式刀库分度盘转动,其中凸轮每旋转一周,分度盘转动一个刀位。圆柱分度凸轮一侧上下安装有两个接近开关,对分度盘转动的刀位进行计数。当PLC计数器的计数值等于控制系统发出选刀指令中的刀具所需移动的刀位差值时,PLC经过逻辑处理,停止对伺服电机的高速脉冲输出,电机运转停止。控制系统控制分度盘准确地将选用刀具送到换刀位置。PLC发出刀套反转指令,通过二位五通电磁阀控制气缸完成刀套的翻转。在进行换刀过程中,ATC电机通过带动装有弧面凸轮旋和槽凸轮的凸轮箱来控制机械手的换刀动作。换刀过程包括机械手抓刀、拔刀、换刀、插刀和回原点等动作。弧面凸轮旋转一周,机械手完成一次换刀过程。3.1y号刀具的换刀操作盘式刀库中存有20把刀具,刀库选刀控制方式采用刀套编码控制方式。刀套编码方式是对刀库各刀座预先编码,每把刀具放入相应刀座之后就具有了相应刀座的编码,即刀具在刀库中的位置是固定的。假设现在处于换刀位置的是X号刀具,控制系统发出的换刀指令中的选用刀具是Y号刀具。因此需要通过PLC程序中的逻辑运算正确判断电机的转向以及记录经过换刀位置的刀号,才能将Y号刀具准确送到换刀位置。控制系统选刀流程图,如图2所示。在上位机中将选用刀号Y输到PLC的内部寄存器中。PLC将选用刀号Y与处于换刀位置的刀号X进行比较,若X=Y,即Y号刀处于换刀位置,则自动换刀装置开始换刀;若X>Y,将(Y+20-X)的值与10相比较,若大于则电机反转,反之正转;若X<Y,将(Y-X)的值与10比较,若大于则电机反转,反之正转。利用PLC程序内的计数器指令C221来记录处于换刀位置刀号X。当电机正转时,C221的数值加1,反之减1。3.2发挥plc控制系统的作用刀库选刀过程完成以后,控制系统发出换刀指令中的选用刀具处于换刀位置。PLC通过控制电磁阀来控制直线往复式气缸动作将刀库中的装夹刀具的刀套进行翻转。气缸安装在刀库本体的背面,通过二位五通电磁阀控制气缸的进气量和气体压力推动活塞杆的往复运动,活塞杆通过连杆与拨叉连接在一起,从而带动连杆直接拨动换刀位置上的刀套,使其完成水平与垂直的往复翻转。同时,为了检测气缸在执行刀套翻转和回转动作时活塞的位置,在气缸顶部与底部各安装了一个磁性接近开关。当活塞运动到磁性开关的位置,磁性接近开关检测到气缸中活塞上的磁环,磁力使开关闭合,产生一个刀套翻转电信号发送给PLC控制系统,PLC发出机械手换刀指令。通过气缸中活塞的位置判断刀套的翻转和回转动作是否完成,刀套翻转完成后才发出换刀指令进行换刀。3.3换刀位置检测在换刀过程中,刀库、气缸和机械手三者之间应准确配合,若三者之间的配合不准确,将造成换刀动作的失败。控制系统设计了刀库及自动换刀装置动作时序,协调换刀过程中各个动作的逻辑关系以及防止相互干涉,动作时序,如图3所示。(1)当PLC接通时,发出初始化指令,伺服电机开始旋转,刀库进行初始化。初始化完成后,刀库处于初始状态,此时初始刀套(橙色)处于换刀位置,刀套水平磁性开关以及换刀机械手的位置原点开关闭合。(2)刀库控制系统发出换刀指令1,PLC计算选用刀号与当前换刀位置刀号的差值。PLC程序通过逻辑运算向刀库伺服驱动器发送脉冲,伺服电机开始旋转,圆柱分度凸轮一侧的刀位计数开关同时开始计数。(3)选用刀具到达换刀位置时,伺服电机停止旋转。此时刀库计数与刀位行进的差值进行比较,若计数与差值匹配则继续执行下一步程序;若不匹配则报错停机。(4)PLC响应电机停止信号后向翻刀电磁阀发出刀套翻转指令3,翻刀电磁阀接通,气缸内活塞上拉,处于换刀位置的刀套开始翻转,同时水平磁性开关断开。当检测垂直磁性开关信号4时,刀套翻转动作完成。(5)刀套翻转完成后PLC向ATC电机发出换刀指令5,ATC电机接通,换刀机械手开始顺时针(仰视)旋转。(6)换刀机械手旋转到一定位置,PLC检测到机械手刹车信号6,ATC电机停止旋转,换刀机械手开始抓刀动作,检测抓刀信号7断开,同时主轴夹抓松开,机械手抓刀动作完成。(7)机械手抓刀动作完成后,PLC向ATC发出旋转指令8,机械手进行换刀动作。机械手逆时针旋转180°后,检测到机械手刹车信号9,电机停止旋转,换刀动作完成。(8)换刀动作完成后,机械手开始进行插刀动作,检测到插刀信号10,机械手插刀动作完成,主轴进行拉刀和加紧。(9)PLC向ATC电机发出旋转指令11,换刀机械手开始旋转,PLC检测到机械手刹车信号12,ATC电机停止旋转,换刀机械手回到初始位置,PLC检测到原点信号13,翻刀电磁阀关闭。(10)PLC向回刀电磁阀发出接通指令14,气缸内活塞下推,换刀位置的刀套开始回转。PLC检测到刀套水平磁性开关信号15,刀套水平电磁阀关闭,刀套回转动作完成,换刀过程结束。4管理系统的硬件设计4.1伺服问题的设计控制系统通过伺服电机来驱动盘式刀库分度盘的转动。伺服电机带有编码器,能够实现闭环控制,使刀库定位准确、快速。通过计算刀库负载力矩和负载惯量,选用安川SGMGV-05DDA61伺服电机,选用安川SGDV-1R9D01A伺服驱动器。伺服驱动器采用位置控制模式,通过PLC输入到驱动器中的脉冲频率来控制刀库的运行速度,以脉冲数来控制刀具的位置。刀库的驱动设计图,如图4所示。图中CN1部分与PLC相连,CN2部分与旋转编码器相连。CN1单元中PULS和/PULS为脉冲输入端口。/S-ON为使能输入,当/S-ON没有信号输入时电机停止转动。SIGN和/SIGN控制电机转动方向,当SIGN和/SIGN接通时伺服电机正转;反之,伺服电机反转。PLC是集电极开路输出,因此将PLC与驱动器的脉冲、方向及清除信号端口连接时各串联一个2kΩ的上拉电阻。LF1为电源噪声滤波器,用于过滤三相电压中的高次谐波和噪声干扰,保证伺服电机位置控制时的位置准确。4.2plc对电机运行的控制回路刀库自动换刀装置采用PLC控制三菱FR-D740-0.75K-CHT变频器来控制交流电机进行驱动。驱动设计分为主回路和控制回路。主回路包括电源输入(L1、L2、L3)和电机控制输出(U、V、W);控制回路有5个多功能输入端子(RH、RM、RL、STF、STL),RH、RM和RL控制电机多速选择,STF和STL控制电机正转和反转。PLC通过控制回路的多功能端子使电机在不同转速下运行。自动换刀装置的驱动设计图,如图5所示。5软件设计5.1x等全编程控制器采用三菱编程软件GX-Developer,该软件适用于三菱Q、QS、FX等全系列可编程控制器;支持梯形图、指令表、SFC、ST及FB、Label语言程序设计。通过分析刀库及自动换刀装置的运行原理编写PLC控制程序,实现刀库及自动换刀装置的正常运行。控制系统PLC接线图,如图6所示。5.2组态王与普遍plc的连接协议通过使用组态王设计人机界面将上位机与PLC进行连接,能有效的实现对自动换刀装置的实时监测与控制,刀库运动的模拟和运行参数设置。组态王与三菱FX1N系列PLC的连接协议采用三菱协议。将PLC编程口与计算机串口进行连接,实现两者之间的通讯,并对PLC的通讯参数与组态王设置一致,PLC采用使用说明中的通讯参数,即波特率:9600bps,数据长度:7位,停止长度:1位,奇偶校验位:偶校验,同时组态王的COM1口设置要与PLC一致。6刀库及自动换刀装置的控制系统设计整体构想通过对刀库运动及换刀过程的研究分析,设计了刀库及自动换刀装置的控制系统,同时上位机实现对换刀过程的监控。本控制系统的优势体现在以下三个方面:(1)基于PLC的刀库控制系统将充分发挥现有数控设备的功能,通过PLC编程实现刀库运动的最优路径选择,节省选刀时间,提高了加工中心的工作效率。(2)PLC和上位机以及其它电气元件集中于控制柜中。控制柜作为控制系统的保护层,具有抗干扰的作用。该系统操作简单、监控方便、运行稳定、易于维护。(3)经实验证明,该控制系统性能稳定、控制精确,能够较好地满足加工中心对刀库及自动换刀装置的要求。(4)通过上位机与PLC的连接,实现对刀库运动的模拟和换刀过程的监控。上位机能够通过多套PLC程序控制刀库及自动换刀装置不同的运动过程,便于刀库性能检测试验的进行。刀库及自动换刀装置是实现刀具储备及自动交换功能的重要功能部件,是高档加工中心和重型加工中心的重要组成部分。加工中心所用各种刀具储存在刀库中。在加工中心需要相应刀具时,刀库控制系统通过PLC准确的逻辑运算对刀库驱动运行进行选刀并将相应的刀具送至换刀位置,主轴上的工作刀具通过自动换刀装置与刀库中已处于换刀位置的待用刀具