浅谈基于PLC 的刀库自动换刀控制系统设计

蒋继红¹，殷红梅¹，刘晓宇¹，朱洪亮²

（1.江苏电子信息职业学院；江苏 淮安 223003；2.涟水思麦柯动力机械有限公司；江苏 淮安 223400）

据统计，在入世贸组织的20 年间，我国向海外输送了近60 万台带有自动换刀功能的CNC 机床，对拉动GDP 增长和制造业发展发挥了巨大作用。自动换刀刀库与机械制造业密不可分，随着科学技术的发展，以高品质、高效率的机械装置逐渐取代了常规的机床，自动化生产装备的技术水平也在不断地提升，这给机械制造业带来了很大的挑战与机会。

目前，由于数控加工中心的刀库刀具种类比较多，它可以实现比较复杂的工件，所以它的应用范围也变得越来越广。不过，实际生产活动中，刀库选刀时存在的问题也是十分广泛的，问题的存在也给设备质量带来了极大的困扰，希望可以给设备的保养与维护一些理论依据。本研究重点是根据江苏德速智能工具公司的ADKY 圆盘系列(BT40)刀库，开发了一个可以精确选定刀具部位，并在该刀库上实现速度转换的圆盘刀库的控制器。

1 刀库自动换刀机械系统的基本原理

自动换刀装置是一种以ATC电机，双爪机械手、气缸、活塞杆、定位刀套、刀盘等为主要部件的装置。其工作原理为接受指令，电机驱动，选择下一次要加工的刀具，并在机械手的控制下，将刀具送至心轴。刀库具有自动更换刀具和存储刀具的功能，可根据需要对刀具进行加工，如铣、钻、切丝、攻丝等。这样可以缩短工作时间，节约开支。刀库与换刀机器人要共存，没有刀库，就不能提前备好所需的刀具，没有换刀机器人，就不能进行换刀。

刀具库房中的刀具自动更换控制系统，实现了刀具的移动，刀套的翻转，机械臂的更换。刀库中刀具自动更换的基本工作流程如下：数控系统接收刀具更换命令，用马达将刀具库正向和反向选择指定刀具号码，圆筒推进刀杯90°竖直向下，同一时间，将主轴提升到刀具更换的参照点，并对锭子进行定位。此时，机械臂将进行换刀，该换刀动作如下：（1）机械手旋转夹持库刀和主轴刀；（2）从主轴刀柄上抽出180mm 的刀具库刀柄；（3）操作臂180°的转动；（4）机器人抬起180mm 的高度，把刀柄和心轴一起放进刀具库里；（5）机械手对齐。

2 PLC 控制系统要求

在制造过程中，对一个零件进行加工时，常常不是一次就能完成，而是要经过多次的加工才能完成。而无论是普通的还是普通的机床，哪怕是只有一种功能的数控机床，也只能完成一种工艺。在整个加工过程中，花费的时间最多的就是更换刀具，但是，现在自动化水平越来越高，手工更换刀具已经严重地影响了生产的效率，因此，在加工中，自动更换刀具系统的作用是非常重要的。本设计就是为这种情况而设计的，其具体要求如下。

（1）通过自动切换系统的指令，可程控器自动选取最接近的切换路径，使刀具库自动旋转。（2）待要用的刀片移至机器人拿刀处时，刀库停止旋转，自动比对当前刀片的编号和位置，若对，则选择的刀片翻过来，机器人就可以随时更换刀片；如果是错的，那么机器就会自动停下来。（3）通过程控系统的指令，驱动自动切换马达，使机械臂进行切换。（4）当机械臂运动至取刀位时，停止动作，程序控制系统收到指令后，自动切换马达停止，机械臂取回刀具。（5）机械臂取出刀具后，由程控装置再一次发出指令，机械臂继续旋转，旋转至设定位置后，机械臂停止旋转。（6）当机械臂旋转至心轴时，程控器收到指令，自动切换马达停止，机械臂插入刀具。（7）机械臂进行刀具的切换动作，完成了主轴刀具的切换。

当可程控器发出指令时，机械手就会动作，当动作到达设定的位置时，可程控器就会收到讯号，让自动切换马达停止，机械手就会停留在起始位置，从而完成切换。

3 硬件电路设计

3.1 电源电路

图1 显示了控制系统的供电线路，电源为AC 380 伏，AC 380 伏到AC220 伏的变换要求用一台绝缘变压器，再经过电闸，设计用来预防电击，并且增强了抗干扰性。这个系统是用一个程序控制装置来控制的，它的输入和输出电路都是DC24V，并选用AC220V/DC24V 的直流电压调节器，该稳压器为S-150-24V。电源指示灯会发出警告信号，当灯会亮时，表示目前已接通。

图1 电源接线图

3.2 控制系统的电路设计

为了方便绘制PLC 接线图和编写PLC 程序，将每个输入/输出设备与PLC 的输入/输出点相对应。

3.2.1 PLC 的IO 接线

在这个设计里，首先设计了已有的PLC 的输入点和输出点，接下来，按照目前的项目流程需求，为目前的设备设置了特定的PLC 连接线，在程序设计中，这样就可以更清楚地看到当前设备的输入点和输出点。

3.2.2 电机接线

三相电机运转时，装置的工作部件，必须使用三相电源，而且还会出问题，此时，若在装置的进电线上加装一组防风开关，那么在电动机发生故障的时候，而不会影响其他部件的工作，对现有设备马达进行保护。三相电源通过交流保护空气开关的上端进入后，把它的下端头和AC 接触器的上端头连接起来，当220V 的电力供应完毕后。电动机在PLC 的控制下运转，在接触器绕组通电和常开度连接处，电动机就能正常运转。

4 控制系统的程序设计

4.1 程序主流程图

按照设计要求，本文给出了该控制系统的主要程序流程图，如图2 所示。

图2 程序主流程图

4.2 控制系统程序设计

4.2.1 选择刀号传送程序

如图3 中所示，如果输入继电器X4 被打开，则此时，它将目前的位置2 传递给数据寄存器地址D100，以执行随后的目前的程序比较。

4.2.2 当前刀号位置传送程序

如图4 所示，在程序在向网络72 自动执行时，程序会自动判断输入继电器X14 的状态，如果接受了这个任务，PLC 将常数2 自动转移到了目前的数据寄存器D102 上，在同一时间内，输入继电器X15 被激活，此时，数据寄存器常数3 也被转移到了数据寄存器D102 中。

图4 刀库位置传送程序

图5 故障指示灯

4.2.3 电机正反转判断程序

在程序开始的时候，要判断所选刀具编号D100 和当前刀具编号D102 的尺寸，当D100 大于D102 时，M10表示，把它打开，并计算其差异，然后把它放到D300的数据寄存器里，再次判定D300 中的数据是否大于4，要是电机的话，然后执行一个逆向的操作，当D102 大于D100 时，M12 表示，在各种情况下，这将会产生非常不同的结果，结合刀库中的刀具选择，根据当前刀与目标刀的最短距离计算，来选择刀具库的正反两面旋转，实现了快速选择刀具的目标。

4.2.4 机械手气缸工作程序

在副继电器M1 的作用下，刀罩及机器人竖直圆柱形电磁阀启动，从而实现刀罩的翻转及机器人的竖直运动。当两个人都走到了正确的位置，按下了极限开关，机器人就会从刀库里拿出一把刀来。4s 后，机器人开始夹紧2s，然后开始反向，放松2s，等待主轴取刀，然后正转回起始位置，刀套和机器人返回原位。

4.2.5 故障指示灯

如图9 所示，M1 开启，意味着选择的刀号与目标刀号重合，刀片止动，在准备更换刀具的时候，当刀套翻转以及机械臂液压缸的推杆在10s 内没有触碰到极限开关时，这时，故障显示灯亮起，提示员工机器出现故障。

4.3 程序设计

转刀装置的基础工作是转刀。刀鞘的倒扣，就是用来抓刀的。刀套翻转的过程是：在PLC 的控制下，通过电磁阀的开关，带动气缸中的活塞旋转，因为活塞杆连接到机器手臂的构造刀套上，这样，活塞的移动就能使刀片翻过来。在汽缸上安装了两个固定开关，用来检测汽缸中活塞的位置。由此判断刀鞘有没有被彻底翻转过来。PLC 根据定位切换信号决定是否进行切换动作。根据这一步，结合系统的控制流程，编制了控制系统的梯形图。

5 结语

本文基于可编程控制器，设计了一种基于可编程控制器的刀库自动换刀控制系统，详细阐述了该系统的工作原理，并进行了硬件电路的设计、可编程控制器的编程、组态软件的设计与调试以及组态仿真软件的运行调试，实现了快速高效的换刀，大大提高了 CNC 加工的效率。下面是从功能测试中得出的结论：

（1）优化了刀库房自动化更换的控制逻辑，使刀具的选择和位置更加准确，缩短更换时间，在运行中避免了一些低级的失误；（2）本实用新型具有很好的适应性，尤其适用于多道工序，需要不断地更换刀具的复杂工件，可减少因多次更换而引起的误差，从而提高了加工精度；（3）该系统具有操作简便、造价低廉、易于维护、组态接口好、工作稳定性好、抗干扰性强等优点。