汇川PLC-AM600控制德士ATC换刀机构
2024-9-9 来源： 沈阳工学院机械工程与自动化学 作者：黄一师
［摘 要］刀库是机床重要的组成部件，为了满足不同零件的加工需求，希望机床上的刀库容量大，能够容纳多种类多数量的刀具，减少人工在刀库上装卸刀具的时间，从而提高数控机床的加工效率，如果使用数控系统自带的伺服电机来控制换刀机构，系统控制轴数多，单通道的数控系统很难满足要求，而选择双通道的数控系统会带来机床制造成本的增加，现在就有这样一个方案，汇川 PLC-AM600配上国产的 EURA 伺服驱动 SD20，能够控制台湾德士的 ATC换刀机构，实现高效精准换刀且不增加机床的制造成本。
［关键词］刀库 ；EURA 伺服驱动 SD20 ；汇川 PLC ；德士 ATC
0 引言
数控系统主要由控制系统、伺服系统和位置测量系统等三大部分组成。一台数控机床控制的轴数越多，需要的驱动器和电机数量也会相应增加。然而目前很多国产单通道数控系统，控制伺服轴的数量是有限的，数控系统控制的伺服轴超过一定数量后，单通道数控系统就无法胜任，需要改用双通道的数控系统。双通道数控系统价格昂贵，加上造价不低的伺服系统，导致机床制造成本飙升，市场竞争处于不利位置。鉴于国产数控系统存在的上述问题，文章选择在单通道系统情况下，参与加工插补的伺服轴由数控系统控制，不参与插补的选刀功能轴改由汇川 PLC来控制，在不影响机床加工效率的前提下，实现了不用双通道数控系统，保证机床功能的完整性，机床制造成本得到有效控制。
1、德士ATC换刀机构工作原理
德士换刀机构最核心的部件是带动换刀机械手炳运动的凸轮分割器，凸轮分割器在工程上又称为凸轮分度器、间歇式分割器，是一种高精度的旋转装置，在结构上属于空间凸轮分度机构，在自动机械中主要实现周向间歇输送、直线方向间歇输送和回转驱动机械手功能。凸轮分割器具有分度精度高、运行平稳、定位自锁、结构紧凑、体积小、噪声低、传递扭矩大、高速性能好和寿命长等显著特点。在凸轮分割器中，凸轮分割器通过输入轴上的凸轮与输出转塔进行连接，并且径向嵌在有输出转塔圆周外面的凸轮滚子上，与凸轮的锥度支撑肋在他们相应的曲线斜面上作线性接触分割器运动。在输入轴旋转的情况下，凸轮滚子根据给定的位移曲线旋转带动输出转塔，同时又沿着支撑肋的斜面滚动。在支撑肋与凸轮的端面平衡的区域里，即在凸轮分割器静止范围内，滚子与轴接触的情况下，输出转塔自身并不作旋转动作。锥度支撑肋通常与2个或3个凸轮滚子进行接触，使得转动的输入轴可以均匀地传送到输出轴上，这种曲线的接触在加工粗糙或旋转不通畅的情况下，通常对于凸轮分割器的损坏是很大的，因此凸轮曲线传动中精密加工至关重要。通过调节轴间的距离可以消除旋转循环不顺畅的情况。也可以通过调节预负荷来接近凸轮滚子与凸轮的弹性区域，加强分割器的刚性。其结构与功能就是转位凸轮与凸轮滚子相结合的较佳性能，这种结构也可以做高速的运动。
2、川PLC-AM600控制德士ATC换刀机构应用组成
2.1 硬件组成
德士 ATC 换刀机构如图1所示，整个换刀机构由 TZ轴、TX 轴、TY 轴、TW 轴（凸轮分割器机构），以及相关的机械手柄、气缸伸缩夹头组成，其中，TZ 轴负责刀库的旋转，分上下两层，下层刀号为1 ～ 24，上层刀号为25 ～ 48，总容量48工位；TX 及 TY 轴负责移动气缸夹头，实现在 TZ 轴上取刀和还刀，并与里面刀柄 TW 轴交换主轴上的刀具，TW 轴负责主轴上刀具和机械手上的刀具交换位置，实现换刀。此轴是整个德士换刀机构的核心，主要利用了凸轮分割器的工作原理。图2是汇川 PLC 控制德士 ATC 换刀机构在车铣加工机床上的应用场景。
图1 德士ATC换刀机构组成
图2 德士ATC机构在机床上的应用（换刀）
2.2 汇川PLC组态
根据图1各换刀硬件的组成，对汇川 PLC 组态，选择汇川 PLC ：AM600-CPU1608TP/TN，输入模块 AM600-1600END，输出模块 AM600-0016ETP，4个欧瑞的 SD20-E-CAT 驱动器，组态如图3和图4所示。
图3 汇川PLC及输入输出模块
图4 汇川PLC及驱动模块
2.3 驱动通信地址设定
PLC 与驱动器通信采用 EtherCAT 协议，需要设置驱动的地址，依次把驱动 SD20_TZ 的从站地址设置为001，从站配置别名设置为1001，把驱动 SD20_TX 的从站地址设置为 002，从站配置别名设置为 002，把驱动 SD20_TY的从站地址设置为003，从站配置别名设置为1003，把驱动 SD20_TW 的从站地址设置为 004，从站配置别名设置为1004。
2.4 相关的轴参数设定
在汇川 PLC 软件里，驱动 SD20_TZ 下面添加伺服轴 Axis_TZ，双击伺服轴，点击 SoftMotion 驱动基本的参数设置、SoftMotion 驱动缩放 / 映射对话框，点击对话框中“模数”表示的是旋转轴，“限定的”表示直线轴，本项目中的 TZ、TW 为旋转轴，模值都为360，表示行程是0°～ 360° ；TX、TY 为直线轴，需要设置行程，也就是正负限位。在驱动基本参数设置里，还可以设置电机的加减速、电机的编码器位数、旋转方向、传动比、螺距。
3、 ATC换刀机构电气件组成、PLC地址分配表及换刀时序图
3.1 德士ATC换刀机构电气件组成
从图1可以看出，ATC 换刀机构的 4 个电机分别由 4个驱动器控制，分别是 Z 轴伺服驱动器、型号为 SD20-E-102-T2，电机型号为 SMMB-751-S-3-7-E-D-K，用来控制刀库的旋转 ；X 轴伺服驱动器、型号为 SD20-E201-T2，电机型号为 SMMB-751-S-3-5-B-D-K（带抱
闸），用来带动气缸夹头上下移动 ；Y 轴伺服驱动器、型号为 SD20-E-201-T2，电机型号为 SMMB-751-S-3-5-E-D-K，作用是带动气缸夹头前后移动 ；W 轴伺服驱动器，型号为 SD20-E-201-T2，电机型号为 SMMB-751-S-3-5-E-D-K，用来实现气缸夹头上的刀具与主轴上的刀具交换 ；根据各轴所带负载不同，从驱动和电机的型号可以看出，TZ 轴的功率比其他 3 个轴大一个等级，其他3轴的功率均相同。控制整个机构的 PLC 为汇川 AM600-CPU1608TN 型 PLC。
3.2 PLC地址定义以及PLC与机床交互信号
由表1可以看出，PLC 地址和机床地址同时出现表示PLC 与机床有交互信号。主要是机床给 PLC 的换刀启动命令、刀具号，以及换刀完成信号，从地址的输入输出可以看出，机床的输出信号是 PLC 的输入信号，机床的输入信号刚好是 PLC 输出信号。
表1 PLC信号表
3.3 德士ATC换刀时序图
德士 ATC 机构换刀前，所有的轴、功能部件和机床主轴位置都应该处于零点位置，如图5所示，换刀动作的先后流程为 ：机床给汇川 PLC 发出目标刀号指令且同时启动换刀命令 -TZ 轴旋转寻找目标刀号，同时打开机床换刀气动门→ TZ 轴上的目标刀号到位后，气缸夹头伸出→ TY 轴向下移动，到达抓紧刀具位置→气缸夹头缩回→ TX、TY 轴移动到刀具交换点，同时 TZ 轴旋转到还刀点→ TW 轴旋转到位1，手柄两端分别抓住主轴和气缸夹头上的刀具，TW 轴凸轮机构到达上限位，为卸刀做好准备→主轴刀具松开→ TW 轴旋转带动主轴和气缸夹头上的刀具向下竖直移动直到凸轮机构下限位，即主轴和气缸夹头上的刀具被安全取下，两把刀具都在手柄的两端手腕上→ TW 轴旋转到位2，为主轴装刀做好准备→ TW 轴旋转带动主轴和气缸夹头上的刀具向上竖直移动直到 TW轴凸轮机构的上限点→主轴刀具夹紧→ TW 轴回到原点→ TX、TY 轴回到还刀点，同时关闭机床换刀气动门→气缸夹头伸出→ TY 轴向上移动→气缸夹头缩回→换刀完成。
图5 德士ATC换刀时序图
3.4 ATC换刀机构PLC梯形图
在编写 PLC 梯形图时，就是把图5的换刀时序图用汇川的相关 PLC 指令表达出来。
4、结束语
当前国产数控系统种类繁多，大多是中低端产品，高端领域的数控系统在技术成熟度上与发达国家还存在一定的差距，单通道五轴联动数控系统尚不能在市场上广泛应用，更何况双通道数控系统，为了充分发挥单通道数控系统在机床上的应用，汇川 PLC 控制的德士 ATC 换刀机构解决了机床加工效率与制造成本的矛盾，弥补了双通道数控系统没有在机床上广泛应用的无奈，降低机床的生产成本，提升其市场竞争力。
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