试论最终数控车床的转塔控制

目 录摘要2引言21、电动刀架的控制原理411、电动刀架结构412、电动刀架的控制工作程序513、操作流程图614、运行信号波形图及说明72、PLC控制系统的确定及线路设计1021、电动刀架对PLC装置的要求1022、PLC控制软件的结构1023、 PLC I/O地址分配103、PLC程序134、PLC程序控制说明：1441、信号的处理1442、自动控制过程1443、手动控制过程1744、刀架选刀过程中的故障处理185、结束语20电动刀架的PLC控制摘要本文以日本FANUC数控系统内置PLC控制意大利Baruffaldi公司的12工位电动刀架为例，介绍多工位电动刀架通过FANUC数控系统中的逻辑电路（PLC）来选择刀具位置，并通过判断回转方向，实现最短路径选刀，以缩短转位时间，提高换刀速度。保证零件通过一次装夹自动完成车削外圆、端面、圆弧、螺纹和镗孔、切槽、切断等加工工序。关键词：PLC，转位符合，最短路径，逻辑互锁引言随着汽车、航空航天工业的发展，铝合金和其他新材料的应用日益广泛，对高效、高性能和高速加工的需求越来越强劲。21世纪世界机床工业正在日新月异、蓬勃发展的时刻，机床的高速化水平不断提高，主轴转速、进给移动速度、和辅助运动速度以达到新的水平。数控机床是一种灵活、高效能的自动化机床，较好地解决了复杂、精密、小批、多变零件的自动化加工问题。在零件的加工制造过程中，大量的时间用于更换刀具、装卸、测量和搬运零件等非切削时间上，切削加工时间仅占整个工时中较小的比例。为进一步提高数控机床的加工效率，数控机床向着工件在一台机床装卡完成多道工序或全部工序的方向发展。因此，带有自动换刀装置的数控机床得以迅速发展。在自动换刀数控机床上，对自动换刀装置的基本要求是：换刀时间短，刀具重复定位精度高，足够的刀具存储量，刀库占地面积小及安全可靠等。由于液压对环境的污染以及系统笨重、效率低等原因，电动刀架的发展正在逐步取代传统的液压刀架刀架。并通过PLC合理地控制，在NC机床上得到了应用，换刀时间缩短了1/5，性能良好，工作稳定可靠。1、电动刀架的控制原理11、电动刀架结构1-电机 2-电机齿轮 3-齿轮 4-行星齿轮 5-驱动齿轮6-滚轮架端齿 7-沟槽 8-滚轮架 9-滚轮 10-双联齿轮11-主轴 12-弹簧 13-插销 14-动齿盘 15-定齿盘 16-箱体17-电磁铁 18-预分度接近开关 19-锁紧接近开关 20-蝶形弹簧21-角度编码器 22-后盖 23-空套齿轮12、电动刀架的控制工作程序该刀架采用三联齿盘作为分度定位元件。由电机驱动后，通过一对齿轮和一套行星轮系进行分度传动。工作程序为：PLC控制系统发出转位信号后，刀架上的电机制动器松开，电源接通，电机开始工作，通过齿轮2、3带动行星轮系4旋转，这时小齿轮5为定齿轮，由于与行星轮4啮合的齿轮5、23齿数不同，行星轮4带动空套齿轮23旋转，空套齿轮带动滚轮架8转过预置角度，使端齿盘后面的端面凸轮松开，端齿盘向后移动脱开端齿啮合，滚轮架8受到端齿盘后端面键槽的限制停止转动，这时空套齿轮23成为定齿轮，行星齿轮4通过齿轮5带动主轴11旋转，实现转位分度，当主轴转到预选位置时，角度编码器21发出信号，电磁铁17向下将插销13压入主轴11的凹槽中，主轴11停止转动，预分度接近开关18给电机发出信号，电机开始反向旋转。通过齿轮2与3，行星齿轮4和空套齿轮23，带动滚轮架8反转，滚轮压紧凸轮，使端齿盘向前移动，端齿盘重新啮合，这时锁紧接近开关19发出信号，切断电机电源，制动器通电刹紧电机，电磁铁断电，插销13被弹簧弹回，转位工作结束，主机可以开始工作。13、操作流程图14、运行信号波形图及说明（1）运行信号波形图（2）编码器真值表工位数12345678910111220101010101110210110011000102200011110000123000000011111选通111111111111奇偶校验110100110010（3）刀架电器部件分布图1-电机 2-温控开关 3-制动装置电磁铁 4-预分度电磁铁 5-预分度接近开关 6-锁紧接近开关 7-编码器（4）运行过程说明 运行信号波形图画除了刀架顺时针方向由未知1到位置2和逆时针方向由位置2到位置11旋转所遵循的顺序。 刀架转位必须先松开制动装置，然后才能给电机供电，按选择方向旋转。当编码器前一工位的选通信号下降沿到达时，则预分度电磁铁立即供电（选通信号下降沿到达至电磁铁供电最大延迟须小于60ms）。 电磁铁得电后，待预定位电磁铁插销插入主轴等分键槽内，回转被迫停止，预分度接近开关发出信号（由“0”上跳为“1”），PLC收到此信号后，使电机立即停止，以50ms暂停后，电机反向旋转使刀架锁紧定位。 刀架锁紧定位后，锁紧接近开关输出有“0”跳变到“1”。该信号发出立即使电机停止，制动装置线圈得电（锁紧接近开关发出信号至电机停止，制动最大延迟小于60ms）。 锁紧开关发出锁紧信号后，PLC控制系统应进行位置检测，以发出允许刀架进行切削加工工件的指令。200ms后预分度电磁铁断电。特别注意：1）要求预分度电磁铁、制动线圈配置但当电源（容量不小于100VA）；编码器、传感器要求使用系统电源，且与系统之间连接不能由中间继电器。2）刀架电机的保护：刀架转位过程中，一定时间（约6秒）内找不到工位时，电机断电；预分度电磁铁通电1.5秒后，如果见不到预分度传感器信号，应立即给电机断电；刀架电机反转锁紧过程中，2秒钟之内见不到锁紧传感器信号，应立即给电机断电。3）如果刀架在转位过程中电控部分故障急停，再次启动时必须沿停止前的运动方向重新开始。2、PLC控制系统的确定及线路设计21、电动刀架对PLC装置的要求 定时器最小设定单位：48ms。 时间响应快 , 控制精度高 , 可靠性好。22、PLC控制软件的结构 FANUC 0i数控系统配有内装的PLC，在CRT上可以动态显示PLC程序并实时监测运行状态。程序中用到的地址有R（内部继电器）、A（报警信息请求）、T（定时器）、C（计数器）、K（保持继电器）、D（数据表）、F（CNC-PLC）、G（PLC-CNC）、X（PLC输入信号）、Y（PLC输出信号）23、 PLC I/O地址分配（1） 输入信号设有：自动状态按钮SB1（X40.0）；手动状态按钮SB2（X42.5）；手动选刀按钮SB3（X44.4）；急停按钮SB4（X8.4）；编码器信号20（X5.0）, 21（X5.1）, 22（X5.2）, 23（X5.3），奇偶校验信号（X5.4），选通信号（X5.5）；预定位检测开关SQ29（X5.6）；电机过热检测开关SQ27（X6.0）；刀架锁紧检测开关SQ28（X6.7）；（2） 输出信号设有：刀架电机正转控制KA1（Y4.4）；刀架电机反转控制KA2（Y4.5）；刀架电机制动电磁铁控制KA3（Y4.6）；刀架预分度电磁铁控制KA4（Y5.7）；自动状态指示灯EL1（Y8.0）；手动状态指示灯EL2（Y10.5）；手动选刀指示灯EL3（Y12.4）； （3） 控制线路图（4）控制说明 系统设有自动和手动两种工作状态。当SB1按钮接通时，LE1指示灯亮，自动工作状态有效，通过输入T代码来自动选刀，1工位工位的代码为01001200。当SB2按钮接通时，LE2指示灯亮，手动工作状态有效，通过按手动选刀按钮可进行调整工作。3、PLC程序如图所示。4、PLC程序控制说明：通过MDI数据输入键在CRT显示器上输入D0000=12（刀架工位数）D0002=13（选刀号T代码限制）。41、信号的处理首先由N0001N0004行处理输入PLC的工位检测信号（X5.0X5.3）只有在选通信号（X5.5）为高电平1时才有效。R9091.0常OFF信号和R9091.1常ON信号作为后面比较指令和旋转指令的控制条件。N0005行执行“数据转换DCNV”SUB14功能指令，将当前刀位数值二进制代码转换为BCD代码后送至R560地址中。N0006行执行“数据转换DCNV”SUB14功能指令，将目标刀位数值二进制代码转换为BCD代码后送至R610地址中。42、自动控制过程1）首先按自动状态按钮SB1（X40.0），指示灯（Y8.0）亮，自动状态有效。通过MDI数据输入键在CRT显示器上输入T码选刀指令（如T0200），T码选通信号F7.3为1，F7.3信号是NC向PLC发出的执行T码指令的信号，目标位已存在F26地址中，R561是存储刀具现在位置的地址。2）N0014 行执行“符合检查COIN”SUB16功能指令，把目标位（在R610中）和刀具现在位（在R560中）进行比较，当目标值与现在值不同时，输出R500.2为0，执行选刀程序；当目标值与现在值符合相等时，输出R500.2为1，直接传送到T代码完成信号（R1.7），选刀结束。3）N0010 行执行“旋转指令ROTB” SUB26功能指令，旋转指令的控制条件为：RN0=1刀架的起始位置从1开始；DIR=1旋转方向选择短路径；POS=1计算目标前一位的位置；INC=1计算位置数； ACT为执行条件，当F7.3（T码指令）为1，R500.2为（符合输出）0时，执行此旋转指令。指令中的D0000地址存储的数据为旋转分度数，R561为刀具现在位置地址，F26为目标位置地址，R530为目标前一位置的计算结果输出地址。短路径的旋转方向输出至R501.1，当R501.1=0时方向为正向，当R501.1=1时方向为反向。4）N0021 行输出R583.3为刀架自动选刀指令。5）N0021行输出R503.1为刀架手动选刀指令。N0024行R583.3和R503.1共同组成刀架转位指令R583.5。6）N0026行在转位指令R583.5为1， Y4.6输出为0，直流继电器KA3断电，电机制动装置打开。7）N0027行3号定时器在N0026行R525.6输出为1的状态下，开始计时，到达预定时间100ms后输出R510.3为1，在这段时间里使电机制动装置完全打开，再进行刀架转位。8）N0032行输出刀架正转Y4.4（直流继电器KA1得电）或N0033行输出刀架反转Y4.5（直流继电器KA2得电），由短路径的旋转功能指令输出R501.1的状态决定选择正向或反向转位。9）在转位过程中，每转到一个工位，由N0015行的符合检查指令进行比较，直到目标前一位符合输R500.3输出为1。 10）N0019行N0020行的程序为前一工位选通信号的下降沿输出R583.1为1。这时N0035行的Y5.7输出为1，直流继电器KA4得电，使预定位电磁铁得电，执行插销动作。当预分度接近开关为1时，使N0024行刀架转位指令R583.5输出为0。刀架停止转动。11）N0029行4号定时器在N0024行R583.5输出为1的状态下，开始计时，到达预定时间50ms后输出R510.1为1，使刀架反转锁紧。12）N0030行刀架进行反向锁紧时，锁紧接近开关为1，使刀架反转控制信号R583.7输出为0。刀架停止转动。Y4.6输出为0，直流继电器KA3断电，电机制动装置抱紧。13）N0034行5号定时器在N0014行符合检查指令进行比较R500.2输出为1，锁紧接近开关为1的状态下，开始计时，到达预定时间200ms后N0035行的Y5.7输出为0，直流继电器KA4断电，使预定位电磁铁失电，执行拔销动作。14）N0013行执行“符合检查COIN”SUB16功能指令，在刀架锁紧并拔销后，把目标位（在R610中）和刀具现在位（在R560中）再次进行比较，当目标值与现在值符合相等时，输出R1.6为1，直接传送到T代码完成信号R1.7，选刀结束。15）N0045行T码完成信号R1.7为1，使N0046行G4.3为1，把刀具已旋转到位完成信号发送给NC系统，使F7.3为0，并把F26清0。下一次换刀在重复以上程序。43、手动控制过程 1） N0039行在手动状态下，按下转位按钮SB3（X44.4），手动选刀指令输出R503.1为1。N0024行刀架转位指令R583.5输出为1。2）同自动控制过程的6）3）同自动控制过程的7）4）N0032行输出刀架正转Y4.4为1（直流继电器KA1得电），使刀架手动选刀按正方向旋转。5）同自动控制过程的10）6）同自动控制过程的11）7）同自动控制过程的12）8）N0034行5号定时器在手动方式，锁紧接近开关为1的状态下，开始计时，到达预定时间200ms后N0035行的Y5.7输出为0，直流继电器KA4断电，使预定位电磁铁失电，执行拔销动作。9）至此一个工位的点动控制完成，如果想连续手动旋转多工位，只要一直按着按钮，刀架就一直旋转，直到松开按钮，刀架在最近的工位锁紧。44、刀架选刀过程中的故障处理1）N0011行执行“数值大小判断COMP”SUB15功能指令，如果输入的选刀T代码大于或等于D0002中的13时，输出R501.5为1，不执行选刀。N0012行执行“符合检查COIN”SUB16功能指令，如果输入的选刀T代码为0，输出R501.6为1，不执行选刀。防止误操作输入非法指令。2）N0025行的2号定时器在N0024行刀架转位指令R583.5为1时，开始计时（计时时间为刀架转一周的时间），到达预定时间后R510.5输出为1，使N0047行的报警信息指令A1.0输出为1，NC输出复置信号F1.1为1，切断N0024行刀架转位指令R583.5为0刀架停止转位，同时相应的报警信息“1008 选刀时间过长”显示在CRT屏幕上。起到保护刀架的作用。3）N0037行的6号定时器在N0035行预定位输出Y5.7为1时，开始计时，到达预定时间1500ms后输出R584.3为1，切断N0024行刀架转位指令R583.5为0，使刀架停止转位。起到预分度电磁铁通电1.5秒后，如果见不到