因加工中心有自動換刀裝置, 故在一次裝夾中可完成零件的多工序加工。自動換刀裝置的主要組成部分是刀庫、機械手和驅動裝置。刀庫的功能是存儲刀具并把下一把即將要用的刀具準確地送到換刀位置。加工中心刀庫的定位控制一直是一個關鍵技術問題。實現刀庫刀位到預定位置的定位, 是刀具傳送動作的前提。
一、傳統的刀庫精確定位的實現
傳統的TH65125×125 型臥式加工中心自動換刀裝置是用定位銷來進行機械精定位。裝滿刀具的刀庫轉動起來慣性很大,國內外許多數控機床廠家是用電氣控制進行精定位, 即用一套控制刀庫進行精定位的控制線路板, 通過對刀庫上的兩個精定位感應開關傳回的模擬量進行比較, 用其差值來控制刀庫電機正反轉, 最終達到刀庫精確定位。傳統的刀庫電氣控制精確定位涉及以下內容。
1.模擬接近開關
輸出電壓(或電流)與物體和接近開關之間的距離為近似線性關系。由于刀具的刀柄是圓形結構, 兩個接近開關為平行安裝, 所以當移動的刀柄隨著鏈條的轉動從某一方向經過兩個接近開關時, 兩個接近開關各輸出一個近似正弦規律變化的電壓信號, 兩個信號存在著一個相位差。
2.比較電路
把兩個模擬電壓信號進行比較, 并做出如下判斷: 輸出比較結果先達到正最大值, 則刀庫鏈正向轉動; 輸出比較結果先達到負最大值, 則刀庫鏈反向轉動; 輸出比較結果由正負最大值轉換為“0”, 則該刀座位于兩個接近開關正中位置, 即刀庫精確定位位置。通過調整零位置窗的閾值大小, 可調整刀座的定位精度。窗口值偏大則定位精度低, 偏小則導致刀庫鏈抖動, 無法完成定位, 這正是不采用閉環控制的原因。
3.邏輯處理電路
邏輯處理電路是刀庫定位控制的核心, 主要完成如下功能:計算最佳找刀路徑, 控制鏈條正反轉及啟停, 快速找到要求刀座的精定位區, 控制精確定位及輸出定位完成信號。
但是該類型刀庫隨著使用時間的推移, 其變形量(即每兩個刀位之間的間隙量)也在不斷變化, 無法采用電氣補償的辦法來解決。而且, 這種刀庫定位控制復雜, 不利于小批量生產等。因此, 有必要尋找一個經濟、可靠、先進、控制和調試簡單的方案來解決這一技術難題。
二、改進刀庫定位控制的一種思路
刀庫定位的核心問題是將兩個感應開關(裝在刀庫上精定位用)的信號進行比較, 用兩者感應值的差值控制刀庫電機正反轉, 從而最終達到刀庫精定位。改進刀庫定位控制的思路是利用CNC 數控系統的控制功能, 加上一塊模擬量輸入板, 利用輸入板將刀庫上兩個精定位感應開關的輸出量轉變為數字量, 然后通過PLC 程序來比較這兩個感應開關被轉化后的數字量差值,由PLC 程序來控制CNC 運轉刀庫, 從而達到刀庫精確定位。該模擬輸入板可選用西門子公司批量產品, 保證性能穩定可靠。只要編制好PLC 程序和正確處理好PLC 和CNC 之間的通信關系, 即可達到控制要求。
該刀庫定位控制方案由刀庫粗定位和精定位組成。粗定位是根據零件加工程序中要求刀庫應轉到的刀位號, 通過PLC 程序計算出刀庫應轉動的角度, 并通知CNC 按此值去運轉刀庫。當CNC 控制刀庫運轉到位后, 立即通知PLC, 粗定位完成。刀庫精定位是當PLC 接到CNC 發出的粗定位到位信號后, PLC 立即開始對兩個精定位開關輸出值進行比較, 并通知CNC 低速運轉刀庫, 直到精定位到位。
三、改進刀庫定位控制的硬件選擇及PLC 控制程序
1.硬件選擇
刀庫精定位開關選擇德國巴魯夫公司生產的BAW018-PF- 1- K2 感應開關, 其最大輸出電流為10mA( 最小為lmA) , 該類開關靈敏度高、抗干擾性能強, 具有線性放大性能, 以滿足刀庫精定位精度比較高的要求。精定位開關安裝時, 將刀庫手動轉動一個真正刀具能夠準確順利裝入和拔出刀套的位置, 并用千分表測出轉動誤差在公差范圍內。用專門儀器監測這兩個感應開關的輸出信號, 并同時調整這兩個開關的安裝位置, 直到這兩個開關的輸出信號近似相等為止。安裝后, 要保證兩個感應開關之間的相對位置及它們相對刀套外圓表面的距離可調, 以保證它們的感應靈敏度高。
刀庫精定位模擬量輸入控制板選用西門子公司生產的型號為SM34 型的模擬輸入控制板。它是一塊可接收電流輸入信號的控制板, 共可接入四個電流輸入信號, 該板允許最大輸入電流0～20mA, 保證兩個精定位用感應開關的輸出變化量是0～10mA。
2.PLC 控制程序
PLC 控制程序編程語言采用西門子S7 語言, 模塊化的設計方法, 將刀庫定位程序分為粗定位( FC81 程序塊) 和精定位 ( FC82 程序塊) 功能模塊。
( 2) 刀庫精定位控制及PLC 控制程序塊( FC82)
當刀庫粗定位完成后, 并沒有到達要找的刀位的真正最終位置( 還差2°左右) , PLC 接到刀庫該信號后, 開始調用刀庫精定位程序塊( FC82) 。這時CNC 仍然控制刀庫繼續低速向前運轉, 所給定的運動距離大于最終到位距離。這時FC82 工作, 開始讀取刀庫上兩個精定位用感應開關通過模擬輸入板轉換后的值, 并隨時比較兩者差值。當其差值小于允差值時, PLC 即向CNC 第二通道發出刪除余程命令, CNC 接該命令之后, 立即停止刀庫運轉, 并將沒有走完的距離刪除。到此刀庫精定位完成,也即整個刀庫的找刀定位或者還刀定位完成。這時機械手在PLC 程序控制下, 即可進行取刀或還刀動作。
通過試驗表明, 改進的TH65125×125 加工中心自動換刀裝置刀庫定位方案完全正確, 運行十分可靠, 達到定位精度±0.05mm 的原設計要求。
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