因加工中心有自动换刀装置, 故在一次装夹中可完成零件的多工序加工。自动换刀装置的主要组成部分是刀库、机械手和驱动装置。刀库的功能是存储刀具并把下一把即将要用的刀具准确地送到换刀位置。加工中心刀库的定位控制一直是一个关键技术问题。实现刀库刀位到预定位置的定位, 是刀具传送动作的前提。

       一、传统的刀库精确定位的实现

      传统的TH65125×125 型卧式加工中心自动换刀装置是用定位销来进行机械精定位。装满刀具的刀库转动起来惯性很大,国内外许多数控机床厂家是用电气控制进行精定位, 即用一套控制刀库进行精定位的控制线路板, 通过对刀库上的两个精定位感应开关传回的模拟量进行比较, 用其差值来控制刀库电机正反转, 最终达到刀库精确定位。传统的刀库电气控制精确定位涉及以下内容。

      1.模拟接近开关

      输出电压(或电流)与物体和接近开关之间的距离为近似线性关系。由于刀具的刀柄是圆形结构, 两个接近开关为平行安装, 所以当移动的刀柄随着链条的转动从某一方向经过两个接近开关时, 两个接近开关各输出一个近似正弦规律变化的电压信号, 两个信号存在着一个相位差。

      2.比较电路

      把两个模拟电压信号进行比较, 并做出如下判断: 输出比较结果先达到正最大值, 则刀库链正向转动; 输出比较结果先达到负最大值, 则刀库链反向转动; 输出比较结果由正负最大值转换为“0”, 则该刀座位于两个接近开关正中位置, 即刀库精确定位位置。通过调整零位置窗的阈值大小, 可调整刀座的定位精度。窗口值偏大则定位精度低, 偏小则导致刀库链抖动, 无法完成定位, 这正是不采用闭环控制的原因。

      3.逻辑处理电路

      逻辑处理电路是刀库定位控制的核心, 主要完成如下功能:计算最佳找刀路径, 控制链条正反转及启停, 快速找到要求刀座的精定位区, 控制精确定位及输出定位完成信号。

      但是该类型刀库随着使用时间的推移, 其变形量(即每两个刀位之间的间隙量)也在不断变化, 无法采用电气补偿的办法来解决。而且, 这种刀库定位控制复杂, 不利于小批量生产等。因此, 有必要寻找一个经济、可靠、先进、控制和调试简单的方案来解决这一技术难题。

      二、改进刀库定位控制的一种思路

      刀库定位的核心问题是将两个感应开关(装在刀库上精定位用)的信号进行比较, 用两者感应值的差值控制刀库电机正反转, 从而最终达到刀库精定位。改进刀库定位控制的思路是利用CNC 数控系统的控制功能, 加上一块模拟量输入板, 利用输入板将刀库上两个精定位感应开关的输出量转变为数字量, 然后通过PLC 程序来比较这两个感应开关被转化后的数字量差值,由PLC 程序来控制CNC 运转刀库, 从而达到刀库精确定位。该模拟输入板可选用西门子公司批量产品, 保证性能稳定可靠。只要编制好PLC 程序和正确处理好PLC 和CNC 之间的通信关系, 即可达到控制要求。

      该刀库定位控制方案由刀库粗定位和精定位组成。粗定位是根据零件加工程序中要求刀库应转到的刀位号, 通过PLC 程序计算出刀库应转动的角度, 并通知CNC 按此值去运转刀库。当CNC 控制刀库运转到位后, 立即通知PLC, 粗定位完成。刀库精定位是当PLC 接到CNC 发出的粗定位到位信号后, PLC 立即开始对两个精定位开关输出值进行比较, 并通知CNC 低速运转刀库, 直到精定位到位。

      三、改进刀库定位控制的硬件选择及PLC 控制程序

      1.硬件选择

      刀库精定位开关选择德国巴鲁夫公司生产的BAW018-PF- 1- K2 感应开关, 其最大输出电流为10mA( 最小为lmA) , 该类开关灵敏度高、抗干扰性能强, 具有线性放大性能, 以满足刀库精定位精度比较高的要求。精定位开关安装时, 将刀库手动转动一个真正刀具能够准确顺利装入和拔出刀套的位置, 并用千分表测出转动误差在公差范围内。用专门仪器监测这两个感应开关的输出信号, 并同时调整这两个开关的安装位置, 直到这两个开关的输出信号近似相等为止。安装后, 要保证两个感应开关之间的相对位置及它们相对刀套外圆表面的距离可调, 以保证它们的感应灵敏度高。

      刀库精定位模拟量输入控制板选用西门子公司生产的型号为SM34 型的模拟输入控制板。它是一块可接收电流输入信号的控制板, 共可接入四个电流输入信号, 该板允许最大输入电流0～20mA, 保证两个精定位用感应开关的输出变化量是0～10mA。

      2.PLC 控制程序

      PLC 控制程序编程语言采用西门子S7 语言, 模块化的设计方法, 将刀库定位程序分为粗定位( FC81 程序块) 和精定位 ( FC82 程序块) 功能模块。

      ( 2) 刀库精定位控制及PLC 控制程序块( FC82)

      当刀库粗定位完成后, 并没有到达要找的刀位的真正最终位置( 还差2°左右) , PLC 接到刀库该信号后, 开始调用刀库精定位程序块( FC82) 。这时CNC 仍然控制刀库继续低速向前运转, 所给定的运动距离大于最终到位距离。这时FC82 工作, 开始读取刀库上两个精定位用感应开关通过模拟输入板转换后的值, 并随时比较两者差值。当其差值小于允差值时, PLC 即向CNC 第二通道发出删除余程命令, CNC 接该命令之后, 立即停止刀库运转, 并将没有走完的距离删除。到此刀库精定位完成,也即整个刀库的找刀定位或者还刀定位完成。这时机械手在PLC 程序控制下, 即可进行取刀或还刀动作。

      通过试验表明, 改进的TH65125×125 加工中心自动换刀装置刀库定位方案完全正确, 运行十分可靠, 达到定位精度±0.05mm 的原设计要求。