基于PLC的刀库自动选刀应用与开发.pdf

2 0 1 0 年第6 期 控 制 与 检 测 文 章编 号 1 0 0 12 2 6 5 2 0 1 0 0 60 0 5 30 4 基于 P L C的刀库 自动选刀应用与开发 邓昌奇 ， 江冠练 茂名 学 院 机 电学院 ， 广 东 茂名 5 2 5 0 0 0 摘要 在 机械加 X - 行 业 里 ， 由于数控 机 床 有许 多优 点 ， 已逐 渐 代 替 普 通 车床 成 为主 导 机 床 按 工 艺 用途 它可 以分 为一般 数控 机床 和数 控加 工 中心 两大 类 ， 而后 者 因带有 由刀库 和机 械 手 组成 的 自动 换 刀装 置 ， 能使 工件 在一 次装 夹 中完成 大部 分甚 至全部 工序 。根 据数 控 系统 选 刀 指 令 ， 从 刀库 中将 所 需要 的 刀具 转到 取 刀位置 ， 称 为 自动 选 刀。 自动 选 刀 方 式 可 分 为 随 机 与 顺 序 选 择 两种 。 文 章 着 重讨 论 基 于三 菱 F X， 系列 的 P L C上 的 AT C刀库随机 选 刀方式 的控 制 。 关键 词 自动选 刀 ； 可编程 控制 器 ； 加 工 中心 ； 三 菱 ； 刀库 中图分类 号 T P 2 7 文 献标 识码 B The App l i c at i o n an d De v e l o pme n t Aut o m a t i c To o l S e l e c t i o n o n t h e To o l M a g az i ne Ba s e d on PLC DENG Ch a n g q i ，J I ANG Gu a n l i a n I n s t i t u t e o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ，Ma o mi n g C o l l e g e Ma o mi n g，Ma o mi n g G u a n g d o n g 5 2 5 0 0 0， C h i n a Ab s t r a c t I n t h e ma c hi n e ma nu f a c t u r i n g i n d us t r y，CNC ma c h i n e t o o l s h a v e g r a d u a l l y b e c o me d o mi na n t i n pl a c e o f o r d i n a ry ma c hi n e s t o o l be c a us e o f ma n y a d va n t a g e s ． By t h e pr oc e s s i t c a n b e d i v i d e d i n t o t wo k i n d s ， g e n e r a l CNC a n d NTC．Th e l a t t e r d ue t o t h e t o ol ma g a z i n e a n d me c h a n i c a l h a nd d e vi c e s c o ns i s t i ng o f a u t o ma t i c t o o l c ha n g e r ， t h e wo r k pi e c e c a n be c o mpl e t e d i n a c l a mpi ng mos t i f n o t a l l pr oc e s s e s ．I n a c c o r da n c e wi t h t h e t o o l s e l e c t i o n c o mma n d f o r m CNC，l oc a t i n g t he r e q ui r e d t o o l for m t h e t o o l ma g a zi n e t o t h e Po s i t i o n for t o o l c h a n g e ，k n own a s a u t o ma t i c t o ol s s e l e c t i o n． Au t o ma t i c t o o l s e l e c t i o n c a n b e d i vi d e d i nt o t wo t ype s of r a n d o m a n d s e l e c t s e q ue n t i a l l y． Th i s a r t i c l e f oc u s e s o n t h e r a n d o m a u t o ma t i c t o o l s s e l e c t i o n c o n t r o l l e d b y t h e M i t s u b - i s hi F X2 N P LC． Ke y wo r d st o o l s e l e c t i o n a u t o ma t i c a l l y； PLC； ma c hi n i n g c e n t e r ；mi t s ub i s h i ；t o ol ma g a zi n e 0 引 言 作为 数 控 加 工 中心 ， 刀库 的选 刀 是 其 核心 部 分 之 一 ，直 接影 响刀 库 、 机 械 手 和 主 轴 间 的 自动 换 刀 ， 对 机 床 的加 工效 率和 加工 精度具 有 十分 重要 的意 义 。经 过长 时期 的发展 ， P L C已具有 强 大 的运 算 能力 ， 良好 的 通讯 功能 ， 极 高 的处理 速度 ， 已获 得广 泛 的应 用 。对 于 高精 尖 的大型 数控 机床 主要 部 件 目前 大部 分都 用 的进 口元 件 ， 费用高 。P L C及其定 位 控制 器 用 于刀 库 、 机 械手 和主轴 间 的 自动 换 刀 控 制 ， 取 代 某 些 昂贵 的进 口 元件 ， 降低了设备费用 ， 是降低费用的最佳的选择。对 于小 型加工 中 心 的 自动 选 刀 控 制 ， 是 一 种 理 想 的控 制 设备 。 1 加 工中心选 刀方式 1 ． 1顺序 选 刀 选 刀方 式要求 按 1 一 艺 过 程 的顺 序 即刀 具 使 用顺 序 将刀 具安 置在 刀座 中 ， 使 用 时按刀 具 的安 置顺 序 逐 一 取用 ， 用后 放 回原刀 座 中 。 1 ． 2 随机选 刀 1 刀座 编码 选 刀 对 刀 库 各 刀座 编 码 ， 把 与 刀 座 编 码对 应 的刀具 一 一 放 人 指 定 的刀 座 中 ， 编 程 时 用 地 址 T指 出刀具 所在 刀座 编码 。 2 计算 机记 忆选 刀 刀具号 和存 刀位 置或 刀座 号 对 应地 记忆 在计算 机 的存储 器 或 可编 程控 制 器 的存 储 器 内 ， 刀具存 放地 址改 变 ， 计 算 机 记忆 也 随之 改 变 。在 收稿 日期 2 0 0 91 21 1 作者简介 邓昌奇 1 9 6 3 一 ， 男 ， 四川 自贡人 ， 茂名学院机 电学院副教授 ， 硕士 ， 研究 领域为数控 机床 、 机 电一体化技术 ， Em a i l d e n g c h q [ O ff l co m 0 5 3 控制与检测 组合机床与自 动化加工技术 刀库 装有 位 置 检 测 装 置 ， 刀 具 可 以 任 意 取 出 ， 任 意送 回 。 2 设计要求 刀库 中有 3 0个 刀 座 ， 属 于连 续 型 刀 库 ， 可 以 是 圆 盘型刀库 ， 也可使用链式刀库 ， 刀库类型虽有所不同， 但选刀控制方式相似 ， 使用步进电机正反转控制。 采用随机选刀方式 ， 刀库中 3 0个刀座不一定都有 刀具 ， 其 中的道具 编号 与刀座 编号不一 定相 同。 T指令输入时程序大致执行过程如下 在刀库中 查 找 T指令要 求 的刀具 ， 找 到 时判 断 其 所在 刀 座 与 换 到位 的位 置关 系 ， 刀库 以 比较 短距离 的方式 正转 或 反 转 高速 转至距 离换刀 位两个 刀座差 的位 置 ， 低 速转 到 换刀位 ， 向机床输出换刀信号 。 3 P LC 接 口 C N C送 至 P L C 的信 息 可 由开 关 量 输 出信 号 对 C N C侧 完成 ， 也可由 C N C直接送入 P L C的寄存器中。 在本设计 中， 采用前一种方式 ， 以开关量信号进行信息 交换 。 本设 计 中， 在 初 次 运 行 时 必 须 使 P L C 的 信 息 与 C N C同 步 ， 所 以 设 置 一 个 寄 存 器 设 置 的 接 口触 点 X 0 0 4 ； T指令是 C N C的选刀信号 ， 所以设置一个 T指 令接口触点 X 0 0 5 。P L C的数据寄存器单个均为 1 6 b i t ， 所 以设 置寄存器 内容 时 除 “ 寄存 器 设置 ” 触点 外 ， 还 要 1 6个触 点配合 使用 ， 用 于二 进 制码 输 入 。与 T指 令 配 合使用 的刀具 代 号 以 B C D码 方 式 输 入 ， 因此 ， 寄 存 器 中刀具代 号均 使 用 B C D码储 存 。T指 令 的 B C D码 与 寄存器设 置 的二进制 码使用相 同接 口。 本 系统需要 的 I ／ O点数 较少 ， 共需 2 2个 输入 点 和 4个输 出点 ， 因此选用 三菱 F X - 4 8 MR型 P L C机 ， 它是 基 本单元 ， 输入输 出点数 各 2 4点 。 当 P L C仅用 作刀 库 自动选刀时， F X - 4 8 MR可满足要求 ， 但还有其他用途 时则可 能需 要更 多点 的型号 。Y 0 0 0和 Y 0 0 1可采 用 晶体管脉 冲输 出 ， 也可 采用继 电器 输 出方式 ； 其他 输 出 均 采用继 电器输 出方式 。本设 计输 出 口采 用继 电器 输 出方式 表 1 输入输 出分配表 X 0 0 0 启 动 X O O l 停 止 X 0 0 2 报警复位按钮 X 0 0 3 换刀完成信号输人 X 0 0 4 寄存器设置 X 0 0 5 T指令选通 寄存器设置的二进制 码 与 X 0 0 4配合使 用 、 刀 X 0 1 O ～ X 0 2 7 具 B C D码输入 与 X 0 0 5配合使用 54 续表 Y 0 0 0 脉冲信号输 出 Y 0 0 1 方向信号输出 反转时接通 Y 0 0 4 换 刀信号输 出 Y 0 0 5 报警器 表 2寄存器设置 内容 D 2 O l 当前换刀位刀座位置 二进制 D 2 0 2 ， D 2 0 3 旋转 一个刀座位置所 需脉冲数 二进制 D 2 0 4。 D 2 0 5 高速最高脉冲频率 二进制 D 2 0 6． D 2 0 7 低速最高脉 冲频率 二进制 D 2 0 8 主轴上刀具代号 B C D码存储 D 2 0 9一D 2 3 8 3 0个刀座 内容为刀具代号 ， B C D码存储 4梯形图及程序 4 ． 1 T指令 输入 和刀具检 索 采 用 X 0 0 5上 升 沿输入 并逻辑 取反 指令 I N V， 作用 是使从 L D X 0 0 5到标 记 P 3之 间的程序在 X 0 0 5上升沿 这个扫 描周期 内执行 一次 ， 其余 时 间执 行 到 L D P X 0 0 5 这一行 时跳过 而不执 行 。 图 1刀具 检 黍 S E R指令是数据搜索指令 ， 当 T指令输入时， 在主 轴和刀 库 中查 找 T指 令 所要 求 的 刀具 。T指 令 输 入 ， 在主轴 和刀库 中查找设 定 刀具 ， 结 果存 于 D O～D 4 。没 有找 到设定 刀具 ， M1 1置 位 用 于报 警 输 出 ， 跳 转 至 P 3 ， 报警输出； 找到设定刀具 ， 将设定刀具所在位置 存 于 D 1 存人 变址 寄存 器 V 0中 M O V指 令 ， 用 于后 续 处理 。设定 刀 具 处 于 换 刀 位 的 刀 座 上 ， 换 刀标 志 M9 置位 ； 设定刀具在换刀位刀座或者主轴上时 ， 刀库都不 需 转动 ， 因此跳 过脉 冲输 出等程序段 。 4 ． 2 刀座 差及 刀库转 向计算 、 换 刀处理 计 算过程 如下 1 设定刀具所在刀座减去换刀位当前刀座位置， 结果存于 c 0 S U B指令 。 2 判 断刀 座差 有 正负 c 0与 0～1 5数值范 围 的 关系 ， 结 果存 于 M0～M 2 Z C P指令 。M0～M 2接 通条 件如 下 M 0 ， C O为 负数 ； M1 ， C O为 不 大 于 1 5的 非 负 2 0 1 0 年第6 期 控 制与检测 数 ； M 2， C O大于 1 5 。 3 M 0通 C O为 负 数 ， M 3置 位 ， 用 于 标 识 刀 座 差 值原 为负值 ， C O取 补 N E G 指 令 ， 跳 转 再 次 执行 计 算 步骤 2 ， 判 断 C O与 0～1 5数值 范 围的关 系 。 4 M1 通 C O为 不 大 于 1 5的 非 负 数 ， 将 C O值 传至 C 1 MO V指 令 。 5 M2通 c 0大 于 1 5 ， 3 0减 去 c 0值 ， 差 值存 于 C 1 S U B指令 。 6 方 向计算 以 M1 ～M3最终 状 态来计 算 反转条 件 Y 0 0 1 通 M3通 C O原 为负数 ， M1 通 C O绝对 值 不大 于 1 5 ； 或 者 M3不 通 C O原 为 非 负 数 ， M2通 C O绝对 值 大 于 1 5 。正 转 条 件 Y 0 0 1不 通 M3通 C 0原 为 负 数 ， M1不 通 C O绝 对 值 大 于 1 5 ； 或 者 M 3不 通 C O原为 非负 数 ， M 2不 通 c 0绝 对 值 不大 于 1 5 。 M1 与 M2在 判断 时形 成 对 立 的通 断 状 态 ， 所 以方 向计算 时不会 同时接通 或 同时断 开 。 7 换 刀 处 理 ， 在 第 一 次 判 断 C O与 0～1 5数 值 范 围的 关 系 时将 主 轴 刀 具 代 号 存 储 在 D 2 0 8 与 设 定 刀 具所 在 刀座 D 2 0 8 V 0 的 刀 具 代 号 交换 X C H指 令 ， 同时把 设 定 刀 具 所 在 刀 座 位 置 存 到 D 2 0 1 MO V 指 令 ， 实现 程 序 中 的 换 刀 操 作 。逻 辑 关 系 如 图 2所 示 Pl 图 2 刀 座 差 及 刀 库 转 向计 算 、 换 刀 处 理 4 ． 3低 速 脉冲输 出 1 判 断 C 1是 否 为 0， 为 0则将 换 刀标 志 M9置 位 ， 将 刀座差 符 号标 志 M3和 用 于 流 程 控 制 M4复 位 ， 跳过 脉 冲输 出程 序 。当 C 1不 为 0 ， 则继 续 执 行 脉 冲输 出程 序 。 2 C 1 与 2比较 ， 结果存于 M5开始的3个 中间继 电器 中 。M5～M 7接 通 条件 如 下 M5 ， C 1 小 于 2 即等 于 1 ； M6 ， C 1等 于 2 ； M 7， C l大 于 2 。 注 C 1 在 刀座差 计算 程 序 中 获得 的数据 是 设 定刀 具所 在刀 座与 换刀 位 上 当 前 刀座 问 的差 值 非 负 数 。 在此 将它 与 2比较 的 意 义 在 于 ， 看 刀 库 应 该 是 高速 运 转还 是低 速运 转 ， 假 如 C 1大 于 2 ， 则 需 要 高速 运 转 至 刀座 差 为 2再 低 速运 转 ； 假 如 C 1不大 于 2 ， 则只要 低速 运转 即可 。 3 当 c 1不大 于 2 M7不通 ， 常 闭触 点 不 动作 ， 则执行 低速 脉 冲输 出 ， 输 出 脉 冲 量 使 刀库 转过 一 个 刀 座位 置 。 4 刀 库 转 过 一 个 刀座 位 置后 ， C l减 1 。在 此 设 计 中 ， 转 动完 成 以 D P L S R语 句影 响 的完成 标 志 M8 0 2 9 接 通来 判断 。 5 C 1 不大于 2 M 7不通 ， 则不需要高速脉 冲输 出 ， 因此 跳过 高速 脉 冲输 出程序 。如图 3所示 。 图 3低 速 脉 冲 输 出 4 ． 4高速脉 冲 输 出 1 C 1大 于 2 M 7通 ， 则 将 C 1减 去 2 ， 结 果存 到 C2。 2 用 c 2计算 刀 库 高速 旋 转所 需 的脉 冲数 ， 结 果 存于 D 5～D 8 。M8置位 ， 避 免下 次 再次 重 复 1 2 两 步操 作 ， 以免产 生错 误 ， 并 用 于启 动高速 脉 冲输 出。 3 M8接通 时 启 动 高速 脉 冲输 出 ， 高 速 脉 冲输 出 完成 M 8 0 2 9接通 后 ， 把 C 1内容改为 2 ， 用于低速脉 冲输 出 ； M8复 位 ， 断开 高速 脉冲输 出。 4 ． 5方 向信 号 先于脉 冲信 号输 出的处理 S H一 2 0 4 0 2 A控 制 电 机 转 向时 ， 应 确 保 方 向信 号 领 先 脉 冲信 号至少 5 s建立 ， 可 避 免驱 动 器 对 脉 冲 的错 误响应 。因此 ， P L C方 向信号 的输 出应先于脉 冲信号 输 出一 个扫 描周 期 。 1 方 向计算 并输 出后 ， M4置 位并跳 过 脉冲输 出 。 2 下一 扫 描 周 期 时 ， 由 于 M4接 通 ， 所 以跳 转 至 P 2实 际是 继续执 行 脉 冲输 出程 序 ， 这样 使 脉 冲信 号 比 方 向信 号 迟 一 个 扫 描 周 期 输 出 到 S H一 2 0 4 0 2 A， 这 样 可 以避免 产生 错误 。 3 当脉冲输出完成 ， c l变为 0时， M 4复位 ， M 9 置 位 ， 调 至换 刀信 号输 出。 控制与检测 组合机床与自 动化加工技术 4 ． 6寄存 器设 置程序 程 序采用 上升 沿输 人 方 式 ， 接 通 X 0 0 4前 ， 相应 寄 存器设 置 内容 二进 制码 必 须先输 入 ， 以免设置错 误 ， 从 D 2 0 1 到 D 2 4 0 变址 寄存器 V 1 从 0到 3 8 ， 当 V 1 3 8 时 ， V1 清零 按顺 序 逐 一 设 置其 内容 。旋 转 一个 刀 座 位置所 需脉 冲数 二 进 制 、 高速 最 高 脉 冲 频 率 二 进 制 、 低 速最 高 脉 冲频 率 二 进 制 计 算 确定 后 分 开 高 十六位 与低 十六位 分 别 输 入 ， 这 些 数据 与 刀 库 传动 机 构 、 步进 电机参 数有关 。 x0 0 4 图 4寄存 器设 置 程 序 4 ． 7 换 刀信 号输 出及 换刀 完成信号 输入 1 M 9在 程序 中作为换 刀信 号 ， 当 M9通 时 ， Y 0 0 4 接通 ， 电磁 阀 Y V 0接 通 ， 机 床换刀 。 2 换刀完 成后 ， X 0 0 3接 通 ， M9复位 。 4 ． 8报警 输 出和报警 复位 1 M1 0通 ， 表示 主轴 和 刀库 中找不 到 设 定 刀具 ， 因此要 报警输 出 。 2 按 下报警 复位 按钮后 ， M1 0复位 ， 停 止报 警 。 4 ． 9程序 流程 图 图 5程 序 流 程 图 4 ． 1 0梯形 图 M8 0 o 0 二 亘 亘 亘 二 [ 二 ] 二 画 J M 80 0 0 l H 卫叵 I 厂 面 J L Ⅱ 叵 二 二乜 M9 X 0 0 3 i P3 厂 坚 l h 图 6梯形图 5 结束语 P L C有较 好 的逻 辑 处 理 功 能 ， 在 工业 控 制 领 域 具 有 广泛 的应用 空间 。 自动选 刀系 统作 为加 工 中心 的重 要组成部分， 实践证明使用 P L C进行 自动选刀控制可 以提高加工中心的灵活性， 简化加工 中心的刀具识别 系统 ， 简 化刀具 编码操 作 ， 能有 效 提高 生产 效率 和刀 具 利 用率 。 [ 参考文献 ] [ 1 ]陈蔚 芳．机床 数控 技术及 应用 [ M] ．北 京 科学 出 版社 ， 20 0 5． [ 2 ]廖常初．可编程序控制器的编程方法与丁程应用 [ M] ．重 庆 重庆大学 出版社 ， 2 0 0 1 ． [ 3 ]廖效果 ， 朱启逑．数字控制机床 [ M] ．武汉 华 中科技大学 出版 社 ， 2 0 0 7 ． [ 4 ]钟肇新 ， 范建东．可编程控制器原 理及 应用 [ M] ．广 州 华 南 理 工 大学 出版 社 ． 2 0 0 3 ． [ 5 ]王志鹏．可编程逻辑器原理 与程序设计 [ M] ． 北京 国防工 业 出 版 社 ， 2 0 0 5 ． [ 6 ]袁任光．可编程序控制器选用手册 [ Z ] ．北京 机械工业出 版社， 2 0 0 2 ． 编辑赵蓉 本刊欢迎订阅 欢迎在线投稿 欢迎刊登广告 h t t p f WWW． z h j c z ． c o m． c n _ ．1l---v-vv， ， t ，； 、