匯川PLC-AM600控制德士ATC換刀機(jī)構(gòu)
2023-12-8 來(lái)源：沈陽(yáng)工學(xué)院機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院 作者：黃一師
［摘 要］刀庫(kù)是機(jī)床重要的組成部件，為了滿足不同零件的加工需求，希望機(jī)床上的刀庫(kù)容量大，能夠容納多種類多數(shù)量的刀具，減少人工在刀庫(kù)上裝卸刀具的時(shí)間，從而提高數(shù)控機(jī)床的加工效率，如果使用數(shù)控系統(tǒng)自帶的伺服電機(jī)來(lái)控制換刀機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)控制軸數(shù)多，單通道的數(shù)控系統(tǒng)很難滿足要求，而選擇雙通道的數(shù)控系統(tǒng)會(huì)帶來(lái)機(jī)床制造成本的增加，現(xiàn)在就有這樣一個(gè)方案，匯川 PLC-AM600配上國(guó)產(chǎn)的 EURA 伺服驅(qū)動(dòng) SD20，能夠控制臺(tái)灣德士的 ATC換刀機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高效精準(zhǔn)換刀且不增加機(jī)床的制造成本。
［關(guān)鍵詞］刀庫(kù) ；EURA 伺服驅(qū)動(dòng) SD20 ；匯川 PLC ；德士 ATC
0、引言
數(shù)控系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和位置測(cè)量系統(tǒng)等三大部分組成。一臺(tái)數(shù)控機(jī)床控制的軸數(shù)越多，需要的驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)數(shù)量也會(huì)相應(yīng)增加。然而目前很多國(guó)產(chǎn)單通道數(shù)控系統(tǒng)，控制伺服軸的數(shù)量是有限的，數(shù)控系統(tǒng)控制的伺服軸超過(guò)一定數(shù)量后，單通道數(shù)控系統(tǒng)就無(wú)法勝任，需要改用雙通道的數(shù)控系統(tǒng)。雙通道數(shù)控系統(tǒng)價(jià)格昂貴，加上造價(jià)不低的伺服系統(tǒng)，導(dǎo)致機(jī)床制造成本飆升，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)處于不利位置。鑒于國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)存在的上述問(wèn)題，文章選擇在單通道系統(tǒng)情況下，參與加工插補(bǔ)的伺服軸由數(shù)控系統(tǒng)控制，不參與插補(bǔ)的選刀功能軸改由匯川 PLC來(lái)控制，在不影響機(jī)床加工效率的前提下，實(shí)現(xiàn)了不用雙通道數(shù)控系統(tǒng)，保證機(jī)床功能的完整性，機(jī)床制造成本得到有效控制。
1、德士ATC換刀機(jī)構(gòu)工作原理
德士換刀機(jī)構(gòu)最核心的部件是帶動(dòng)換刀機(jī)械手炳運(yùn)動(dòng)的凸輪分割器，凸輪分割器在工程上又稱為凸輪分度器、間歇式分割器，是一種高精度的旋轉(zhuǎn)裝置，在結(jié)構(gòu)上屬于空間凸輪分度機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)機(jī)械中主要實(shí)現(xiàn)周向間歇輸送、直線方向間歇輸送和回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手功能。凸輪分割器具有分度精度高、運(yùn)行平穩(wěn)、定位自鎖、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、噪聲低、傳遞扭矩大、高速性能好和壽命長(zhǎng)等顯著特點(diǎn)。
在凸輪分割器中，凸輪分割器通過(guò)輸入軸上的凸輪與輸出轉(zhuǎn)塔進(jìn)行連接，并且徑向嵌在有輸出轉(zhuǎn)塔圓周外面的凸輪滾子上，與凸輪的錐度支撐肋在他們相應(yīng)的曲線斜面上作線性接觸分割器運(yùn)動(dòng)。在輸入軸旋轉(zhuǎn)的情況下，凸輪滾子根據(jù)給定的位移曲線旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)輸出轉(zhuǎn)塔，同時(shí)又沿著支撐肋的斜面滾動(dòng)。在支撐肋與凸輪的端面平衡的區(qū)域里，即在凸輪分割器靜止范圍內(nèi)，滾子與軸接觸的情況下，輸出轉(zhuǎn)塔自身并不作旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。錐度支撐肋通常與2個(gè)或3個(gè)凸輪滾子進(jìn)行接觸，使得轉(zhuǎn)動(dòng)的輸入軸可以均勻地傳送到輸出軸上，這種曲線的接觸在加工粗糙或旋轉(zhuǎn)不通暢的情況下，通常對(duì)于凸輪分割器的損壞是很大的，因此凸輪曲線傳動(dòng)中精密加工至關(guān)重要。通過(guò)調(diào)節(jié)軸間的距離可以消除旋轉(zhuǎn)循環(huán)不順暢的情況。也可以通過(guò)調(diào)節(jié)預(yù)負(fù)荷來(lái)接近凸輪滾子與凸輪的彈性區(qū)域，加強(qiáng)分割器的剛性。其結(jié)構(gòu)與功能就是轉(zhuǎn)位凸輪與凸輪滾子相結(jié)合的較佳性能，這種結(jié)構(gòu)也可以做高速的運(yùn)動(dòng)。
2、川PLC-AM600控制德士ATC換刀機(jī)構(gòu)應(yīng)用組成
2.1 硬件組成
德士 ATC 換刀機(jī)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)換刀機(jī)構(gòu)由 TZ軸、TX 軸、TY 軸、TW 軸（凸輪分割器機(jī)構(gòu)），以及相關(guān)的機(jī)械手柄、氣缸伸縮夾頭組成，其中，TZ 軸負(fù)責(zé)刀庫(kù)的旋轉(zhuǎn)，分上下兩層，下層刀號(hào)為1 ～ 24，上層刀號(hào)為25 ～ 48，總?cè)萘?8工位；TX 及 TY 軸負(fù)責(zé)移動(dòng)氣缸夾頭，實(shí)現(xiàn)在 TZ 軸上取刀和還刀，并與里面刀柄 TW 軸交換主軸上的刀具，TW 軸負(fù)責(zé)主軸上刀具和機(jī)械手上的刀具交換位置，實(shí)現(xiàn)換刀。此軸是整個(gè)德士換刀機(jī)構(gòu)的核心，主要利用了凸輪分割器的工作原理。圖2是匯川 PLC 控制德士 ATC 換刀機(jī)構(gòu)在車銑加工機(jī)床上的應(yīng)用場(chǎng)景。
圖1 德士ATC換刀機(jī)構(gòu)組成
圖2 德士ATC機(jī)構(gòu)在機(jī)床上的應(yīng)用（換刀）
2.2 匯川PLC組態(tài)
根據(jù)圖1各換刀硬件的組成，對(duì)匯川 PLC 組態(tài)，選擇匯川 PLC ：AM600-CPU1608TP/TN，輸入模塊 AM600-1600END，輸出模塊 AM600-0016ETP，4個(gè)歐瑞的 SD20-E-CAT 驅(qū)動(dòng)器，組態(tài)如圖3和圖4所示。
2.3 驅(qū)動(dòng)通信地址設(shè)定
PLC 與驅(qū)動(dòng)器通信采用 EtherCAT 協(xié)議，需要設(shè)置驅(qū)動(dòng)的地址，依次把驅(qū)動(dòng) SD20_TZ 的從站地址設(shè)置為001，從站配置別名設(shè)置為1001，把驅(qū)動(dòng) SD20_TX 的從站地址設(shè)置為 002，從站配置別名設(shè)置為 002，把驅(qū)動(dòng) SD20_TY的從站地址設(shè)置為003，從站配置別名設(shè)置為1003，把驅(qū)動(dòng) SD20_TW 的從站地址設(shè)置為 004，從站配置別名設(shè)置為1004。
圖3 匯川PLC及輸入輸出模塊
圖4 匯川PLC及驅(qū)動(dòng)模塊
2.4 相關(guān)的軸參數(shù)設(shè)定
在匯川 PLC 軟件里，驅(qū)動(dòng) SD20_TZ 下面添加伺服軸 Axis_TZ，雙擊伺服軸，點(diǎn)擊 SoftMotion 驅(qū)動(dòng)基本的參數(shù)設(shè)置、SoftMotion 驅(qū)動(dòng)縮放 / 映射對(duì)話框，點(diǎn)擊對(duì)話框中“模數(shù)”表示的是旋轉(zhuǎn)軸，“限定的”表示直線軸，本項(xiàng)目中的 TZ、TW 為旋轉(zhuǎn)軸，模值都為360，表示行程是0°～ 360° ；TX、TY 為直線軸，需要設(shè)置行程，也就是正負(fù)限位。在驅(qū)動(dòng)基本參數(shù)設(shè)置里，還可以設(shè)置電機(jī)的加減速、電機(jī)的編碼器位數(shù)、旋轉(zhuǎn)方向、傳動(dòng)比、螺距。
3、ATC換刀機(jī)構(gòu)電氣件組成、PLC地址分配表及換刀時(shí)序圖
3.1 德士ATC換刀機(jī)構(gòu)電氣件組成
從圖1可以看出，ATC 換刀機(jī)構(gòu)的 4 個(gè)電機(jī)分別由 4個(gè)驅(qū)動(dòng)器控制，分別是 Z 軸伺服驅(qū)動(dòng)器、型號(hào)為 SD20-E-102-T2，電機(jī)型號(hào)為 SMMB-751-S-3-7-E-D-K，用來(lái)控制刀庫(kù)的旋轉(zhuǎn) ；X 軸伺服驅(qū)動(dòng)器、型號(hào)為 SD20-E201-T2，電機(jī)型號(hào)為 SMMB-751-S-3-5-B-D-K（帶抱閘），用來(lái)帶動(dòng)氣缸夾頭上下移動(dòng) ；Y 軸伺服驅(qū)動(dòng)器、型號(hào)為 SD20-E-201-T2，電機(jī)型號(hào)為 SMMB-751-S-3-5-E-D-K，作用是帶動(dòng)氣缸夾頭前后移動(dòng) ；W 軸伺服驅(qū)動(dòng)器，型號(hào)為 SD20-E-201-T2，電機(jī)型號(hào)為 SMMB-751-
S-3-5-E-D-K，用來(lái)實(shí)現(xiàn)氣缸夾頭上的刀具與主軸上的刀具交換 ；根據(jù)各軸所帶負(fù)載不同，從驅(qū)動(dòng)和電機(jī)的型號(hào)可以看出，TZ 軸的功率比其他 3 個(gè)軸大一個(gè)等級(jí)，其他3軸的功率均相同。控制整個(gè)機(jī)構(gòu)的 PLC 為匯川 AM600-CPU1608TN 型 PLC。
3.2 PLC地址定義以及PLC與機(jī)床交互信號(hào)
由表1可以看出，PLC 地址和機(jī)床地址同時(shí)出現(xiàn)表示PLC 與機(jī)床有交互信號(hào)。主要是機(jī)床給 PLC 的換刀啟動(dòng)命令、刀具號(hào)，以及換刀完成信號(hào)，從地址的輸入輸出可以看出，機(jī)床的輸出信號(hào)是 PLC 的輸入信號(hào)，機(jī)床的輸入信號(hào)剛好是 PLC 輸出信號(hào)。
表1 PLC信號(hào)表
3.3 德士ATC換刀時(shí)序圖
德士 ATC 機(jī)構(gòu)換刀前，所有的軸、功能部件和機(jī)床主軸位置都應(yīng)該處于零點(diǎn)位置，如圖5所示，換刀動(dòng)作的先后流程為 ：機(jī)床給匯川 PLC 發(fā)出目標(biāo)刀號(hào)指令且同時(shí)啟動(dòng)換刀命令 -TZ 軸旋轉(zhuǎn)尋找目標(biāo)刀號(hào)，同時(shí)打開(kāi)機(jī)床換刀氣動(dòng)門→ TZ 軸上的目標(biāo)刀號(hào)到位后，氣缸夾頭伸出→ TY 軸向下移動(dòng)，到達(dá)抓緊刀具位置→氣缸夾頭縮回→ TX、TY 軸移動(dòng)到刀具交換點(diǎn)，同時(shí) TZ 軸旋轉(zhuǎn)到還刀點(diǎn)→ TW 軸旋轉(zhuǎn)到位1，手柄兩端分別抓住主軸和氣缸夾頭上的刀具，TW 軸凸輪機(jī)構(gòu)到達(dá)上限位，為卸刀做好準(zhǔn)備→主軸刀具松開(kāi)→ TW 軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)主軸和氣缸夾頭上的刀具向下豎直移動(dòng)直到凸輪機(jī)構(gòu)下限位，即主軸和氣缸夾頭上的刀具被安全取下，兩把刀具都在手柄的兩端手腕上→ TW 軸旋轉(zhuǎn)到位2，為主軸裝刀做好準(zhǔn)備→ TW 軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)主軸和氣缸夾頭上的刀具向上豎直移動(dòng)直到 TW軸凸輪機(jī)構(gòu)的上限點(diǎn)→主軸刀具夾緊→ TW 軸回到原點(diǎn)→ TX、TY 軸回到還刀點(diǎn)，同時(shí)關(guān)閉機(jī)床換刀氣動(dòng)門→氣缸夾頭伸出→ TY 軸向上移動(dòng)→氣缸夾頭縮回→換刀完成。
圖5 德士ATC換刀時(shí)序圖
3.4 ATC換刀機(jī)構(gòu)PLC梯形圖
在編寫 PLC 梯形圖時(shí)，就是把圖5的換刀時(shí)序圖用匯川的相關(guān) PLC 指令表達(dá)出來(lái)。
4、 結(jié)束語(yǔ)
當(dāng)前國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)種類繁多，大多是中低端產(chǎn)品，高端領(lǐng)域的數(shù)控系統(tǒng)在技術(shù)成熟度上與發(fā)達(dá)國(guó)家還存在一定的差距，單通道五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)尚不能在市場(chǎng)上廣泛應(yīng)用，更何況雙通道數(shù)控系統(tǒng)，為了充分發(fā)揮單通道數(shù)控系統(tǒng)在機(jī)床上的應(yīng)用，匯川 PLC 控制的德士 ATC 換刀機(jī)構(gòu)解決了機(jī)床加工效率與制造成本的矛盾，彌補(bǔ)了雙通道數(shù)控系統(tǒng)沒(méi)有在機(jī)床上廣泛應(yīng)用的無(wú)奈，降低機(jī)床的生產(chǎn)成本，提升其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
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