因加工中心有自動(dòng)換刀裝置, 故在一次裝夾中可完成零件的多工序加工。自動(dòng)換刀裝置的主要組成部分是刀庫(kù)、機(jī)械手和驅(qū)動(dòng)裝置。刀庫(kù)的功能是存儲(chǔ)刀具并把下一把即將要用的刀具準(zhǔn)確地送到換刀位置。加工中心刀庫(kù)的定位控制一直是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題。實(shí)現(xiàn)刀庫(kù)刀位到預(yù)定位置的定位, 是刀具傳送動(dòng)作的前提。
一、傳統(tǒng)的刀庫(kù)精確定位的實(shí)現(xiàn)
傳統(tǒng)的TH65125×125 型臥式加工中心自動(dòng)換刀裝置是用定位銷來進(jìn)行機(jī)械精定位。裝滿刀具的刀庫(kù)轉(zhuǎn)動(dòng)起來慣性很大,國(guó)內(nèi)外許多數(shù)控機(jī)床廠家是用電氣控制進(jìn)行精定位, 即用一套控制刀庫(kù)進(jìn)行精定位的控制線路板, 通過對(duì)刀庫(kù)上的兩個(gè)精定位感應(yīng)開關(guān)傳回的模擬量進(jìn)行比較, 用其差值來控制刀庫(kù)電機(jī)正反轉(zhuǎn), 最終達(dá)到刀庫(kù)精確定位。傳統(tǒng)的刀庫(kù)電氣控制精確定位涉及以下內(nèi)容。
1.模擬接近開關(guān)
輸出電壓(或電流)與物體和接近開關(guān)之間的距離為近似線性關(guān)系。由于刀具的刀柄是圓形結(jié)構(gòu), 兩個(gè)接近開關(guān)為平行安裝, 所以當(dāng)移動(dòng)的刀柄隨著鏈條的轉(zhuǎn)動(dòng)從某一方向經(jīng)過兩個(gè)接近開關(guān)時(shí), 兩個(gè)接近開關(guān)各輸出一個(gè)近似正弦規(guī)律變化的電壓信號(hào), 兩個(gè)信號(hào)存在著一個(gè)相位差。
2.比較電路
把兩個(gè)模擬電壓信號(hào)進(jìn)行比較, 并做出如下判斷: 輸出比較結(jié)果先達(dá)到正最大值, 則刀庫(kù)鏈正向轉(zhuǎn)動(dòng); 輸出比較結(jié)果先達(dá)到負(fù)最大值, 則刀庫(kù)鏈反向轉(zhuǎn)動(dòng); 輸出比較結(jié)果由正負(fù)最大值轉(zhuǎn)換為“0”, 則該刀座位于兩個(gè)接近開關(guān)正中位置, 即刀庫(kù)精確定位位置。通過調(diào)整零位置窗的閾值大小, 可調(diào)整刀座的定位精度。窗口值偏大則定位精度低, 偏小則導(dǎo)致刀庫(kù)鏈抖動(dòng), 無法完成定位, 這正是不采用閉環(huán)控制的原因。
3.邏輯處理電路
邏輯處理電路是刀庫(kù)定位控制的核心, 主要完成如下功能:計(jì)算最佳找刀路徑, 控制鏈條正反轉(zhuǎn)及啟停, 快速找到要求刀座的精定位區(qū), 控制精確定位及輸出定位完成信號(hào)。
但是該類型刀庫(kù)隨著使用時(shí)間的推移, 其變形量(即每?jī)蓚€(gè)刀位之間的間隙量)也在不斷變化, 無法采用電氣補(bǔ)償?shù)霓k法來解決。而且, 這種刀庫(kù)定位控制復(fù)雜, 不利于小批量生產(chǎn)等。因此, 有必要尋找一個(gè)經(jīng)濟(jì)、可靠、先進(jìn)、控制和調(diào)試簡(jiǎn)單的方案來解決這一技術(shù)難題。
二、改進(jìn)刀庫(kù)定位控制的一種思路
刀庫(kù)定位的核心問題是將兩個(gè)感應(yīng)開關(guān)(裝在刀庫(kù)上精定位用)的信號(hào)進(jìn)行比較, 用兩者感應(yīng)值的差值控制刀庫(kù)電機(jī)正反轉(zhuǎn), 從而最終達(dá)到刀庫(kù)精定位。改進(jìn)刀庫(kù)定位控制的思路是利用CNC 數(shù)控系統(tǒng)的控制功能, 加上一塊模擬量輸入板, 利用輸入板將刀庫(kù)上兩個(gè)精定位感應(yīng)開關(guān)的輸出量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量, 然后通過PLC 程序來比較這兩個(gè)感應(yīng)開關(guān)被轉(zhuǎn)化后的數(shù)字量差值,由PLC 程序來控制CNC 運(yùn)轉(zhuǎn)刀庫(kù), 從而達(dá)到刀庫(kù)精確定位。該模擬輸入板可選用西門子公司批量產(chǎn)品, 保證性能穩(wěn)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(guān)系, 即可達(dá)到控制要求。
該刀庫(kù)定位控制方案由刀庫(kù)粗定位和精定位組成。粗定位是根據(jù)零件加工程序中要求刀庫(kù)應(yīng)轉(zhuǎn)到的刀位號(hào), 通過PLC 程序計(jì)算出刀庫(kù)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度, 并通知CNC 按此值去運(yùn)轉(zhuǎn)刀庫(kù)。當(dāng)CNC 控制刀庫(kù)運(yùn)轉(zhuǎn)到位后, 立即通知PLC, 粗定位完成。刀庫(kù)精定位是當(dāng)PLC 接到CNC 發(fā)出的粗定位到位信號(hào)后, PLC 立即開始對(duì)兩個(gè)精定位開關(guān)輸出值進(jìn)行比較, 并通知CNC 低速運(yùn)轉(zhuǎn)刀庫(kù), 直到精定位到位。
三、改進(jìn)刀庫(kù)定位控制的硬件選擇及PLC 控制程序
1.硬件選擇
刀庫(kù)精定位開關(guān)選擇德國(guó)巴魯夫公司生產(chǎn)的BAW018-PF- 1- K2 感應(yīng)開關(guān), 其最大輸出電流為10mA( 最小為lmA) , 該類開關(guān)靈敏度高、抗干擾性能強(qiáng), 具有線性放大性能, 以滿足刀庫(kù)精定位精度比較高的要求。精定位開關(guān)安裝時(shí), 將刀庫(kù)手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)真正刀具能夠準(zhǔn)確順利裝入和拔出刀套的位置, 并用千分表測(cè)出轉(zhuǎn)動(dòng)誤差在公差范圍內(nèi)。用專門儀器監(jiān)測(cè)這兩個(gè)感應(yīng)開關(guān)的輸出信號(hào), 并同時(shí)調(diào)整這兩個(gè)開關(guān)的安裝位置, 直到這兩個(gè)開關(guān)的輸出信號(hào)近似相等為止。安裝后, 要保證兩個(gè)感應(yīng)開關(guān)之間的相對(duì)位置及它們相對(duì)刀套外圓表面的距離可調(diào), 以保證它們的感應(yīng)靈敏度高。
刀庫(kù)精定位模擬量輸入控制板選用西門子公司生產(chǎn)的型號(hào)為SM34 型的模擬輸入控制板。它是一塊可接收電流輸入信號(hào)的控制板, 共可接入四個(gè)電流輸入信號(hào), 該板允許最大輸入電流0～20mA, 保證兩個(gè)精定位用感應(yīng)開關(guān)的輸出變化量是0～10mA。
2.PLC 控制程序
PLC 控制程序編程語(yǔ)言采用西門子S7 語(yǔ)言, 模塊化的設(shè)計(jì)方法, 將刀庫(kù)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(kù)精定位控制及PLC 控制程序塊( FC82)
當(dāng)?shù)稁?kù)粗定位完成后, 并沒有到達(dá)要找的刀位的真正最終位置( 還差2°左右) , PLC 接到刀庫(kù)該信號(hào)后, 開始調(diào)用刀庫(kù)精定位程序塊( FC82) 。這時(shí)CNC 仍然控制刀庫(kù)繼續(xù)低速向前運(yùn)轉(zhuǎn), 所給定的運(yùn)動(dòng)距離大于最終到位距離。這時(shí)FC82 工作, 開始讀取刀庫(kù)上兩個(gè)精定位用感應(yīng)開關(guān)通過模擬輸入板轉(zhuǎn)換后的值, 并隨時(shí)比較兩者差值。當(dāng)其差值小于允差值時(shí), PLC 即向CNC 第二通道發(fā)出刪除余程命令, CNC 接該命令之后, 立即停止刀庫(kù)運(yùn)轉(zhuǎn), 并將沒有走完的距離刪除。到此刀庫(kù)精定位完成,也即整個(gè)刀庫(kù)的找刀定位或者還刀定位完成。這時(shí)機(jī)械手在PLC 程序控制下, 即可進(jìn)行取刀或還刀動(dòng)作。
通過試驗(yàn)表明, 改進(jìn)的TH65125×125 加工中心自動(dòng)換刀裝置刀庫(kù)定位方案完全正確, 運(yùn)行十分可靠, 達(dá)到定位精度±0.05mm 的原設(shè)計(jì)要求。
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