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匯川PLC-AM600控製德士ATC換刀機構（gòu）

2023-12-8 來（lái）源：沈陽工學院機械工程與自動（dòng）化（huà）學院作者：黃（huáng）一師

［摘要］刀（dāo）庫是機床重要的組成部件，為（wéi）了滿足不同零件的加工需求，希望機床上的刀庫容量大，能夠容納多種類多數量的刀（dāo）具，減少人工在刀庫上（shàng）裝卸刀（dāo）具的時間，從而提高數控機床的加（jiā）工效率，如果（guǒ）使用數控（kòng）係統（tǒng）自（zì）帶的伺（sì）服電機來控製換刀機構，係統（tǒng）控製軸數多，單通（tōng）道的數（shù）控係統很難滿足要求，而選擇雙通道（dào）的（de）數控（kòng）係統會帶來機床製造成本的增加，現在就有這樣一個方案，匯川 PLC-AM600配上國產的 EURA 伺（sì）服驅動 SD20，能夠控製台灣德士的 ATC換刀機構，實現高效精準換刀且（qiě）不增加機（jī）床的製造（zào）成本。

［關鍵詞］刀庫（kù）；EURA 伺服驅動 SD20 ；匯川 PLC ；德士 ATC

0、引言

數控係統（tǒng）主要由控製係統、伺服係統和位置測量係統（tǒng）等三大部分組成。一台數控機床控製的軸數越多，需要的驅動器（qì）和電機數量也會相（xiàng）應增加。然而目前很多國產（chǎn）單通道數（shù）控係（xì）統，控製伺服軸的（de）數量是有限的，數控係統控製的（de）伺服軸超過一定數量後，單通道數控係（xì）統（tǒng）就無法勝任，需要改用（yòng）雙通道的（de）數控係統。雙通道數控（kòng）係統價格昂貴（guì），加上造價不（bú）低的伺服係統，導致機床製造成本飆升（shēng），市場競爭處於不利位置。鑒於國產數控係統存在的上述問題，文章（zhāng）選（xuǎn）擇在單通道係統情況下，參（cān）與加工插補的伺（sì）服軸由（yóu）數控係統控製，不參與插補的選刀功（gōng）能軸改由（yóu）匯川 PLC來（lái）控製，在不影響機床加工效率的前提下，實現了不用雙通道數控係統，保證機床功能的完整性，機床製造成本得到有效控製（zhì）。

1、德士ATC換刀機構工作原理

德士換刀機構最核心（xīn）的部（bù）件是帶動換刀機械手炳運動的凸輪分（fèn）割器，凸（tū）輪分割器在工（gōng）程上又稱為凸輪分度器、間歇式分割（gē）器（qì），是一種高精度的旋轉裝（zhuāng）置，在結構上屬於空間凸（tū）輪分度機構，在自動機械中主要實現周向間歇輸送、直線方向間歇輸（shū）送和回轉驅動機械手功能。凸輪（lún）分割器具有分（fèn）度精（jīng）度高、運行平穩、定位自鎖、結構緊湊、體積小、噪聲低、傳遞扭矩大、高速（sù）性能好和壽（shòu）命長等顯著特點。

在凸輪（lún）分割（gē）器中，凸輪分（fèn）割器通過輸入軸上的凸輪（lún）與輸出轉塔進（jìn）行（háng）連接，並且徑向（xiàng）嵌在有輸出轉塔（tǎ）圓（yuán）周外麵的凸輪滾子上，與凸輪的錐度支撐肋在（zài）他們相應的（de）曲線（xiàn）斜麵上作線性接觸分割（gē）器運動。在輸入軸旋轉的情況下，凸輪滾子根據（jù）給定的位移（yí）曲線旋轉帶動輸出轉塔，同時又沿著支撐肋的（de）斜麵滾動。在支撐肋與凸輪的端麵平衡的區域裏，即在凸輪分割器靜止範圍內，滾子與軸接觸的情況下，輸出（chū）轉塔自身並不作旋轉動作。錐度支撐肋通常與2個或3個凸輪滾子進（jìn）行（háng）接觸，使得轉動的輸（shū）入軸可以均（jun1）勻地傳送（sòng）到輸出軸上（shàng），這種曲線的接（jiē）觸在加工粗糙或旋轉不通暢的情況下，通常對於凸輪分割器的損壞是很大的，因此（cǐ）凸輪曲線傳動中精密（mì）加工至關重要。通過調節軸間的距離可（kě）以消除旋轉循環不順暢（chàng）的情況。也可以通過調節預負荷來接（jiē）近凸輪滾子與凸輪的彈性區域，加強（qiáng）分割器的剛性（xìng）。其結構與（yǔ）功能就是轉位凸輪（lún）與凸輪滾子相結合的較佳性能，這種結構也（yě）可以做高速的運（yùn）動。

2、川（chuān）PLC-AM600控製德士ATC換刀機構應用組成

2.1　硬件組成

德士 ATC 換刀機構如圖1所示，整個換刀機構由 TZ軸、TX 軸、TY 軸、TW 軸（凸輪分割器機構），以及相關的機械手（shǒu）柄、氣缸（gāng）伸縮夾頭組成，其中，TZ 軸負責刀庫的旋轉，分上下兩層（céng），下層刀號為1 ～ 24，上層刀（dāo）號（hào）為25 ～ 48，總容量48工位；TX 及 TY 軸負責（zé）移動氣缸夾（jiá）頭，實現在 TZ 軸上取刀和還刀，並與裏麵刀柄 TW 軸交換主軸（zhóu）上的刀具，TW 軸負責主軸上刀具和機（jī）械手上的（de）刀具交換位（wèi）置，實現換刀。此軸是（shì）整個德（dé）士換刀機構的核心，主要利用了凸輪分割（gē）器的工作原理。圖2是匯川 PLC 控（kòng）製德士 ATC 換刀機構在車銑加工機床上（shàng）的應用場景。

圖1 德士ATC換刀機構組成

圖2 德士ATC機構在機床上的應用（換刀（dāo））

2.2　匯川PLC組態

根據圖1各換刀硬件的（de）組成，對匯川 PLC 組態，選擇匯川 PLC ：AM600-CPU1608TP/TN，輸入模塊 AM600-1600END，輸出模塊 AM600-0016ETP，4個歐瑞的 SD20-E-CAT 驅動器，組態如圖3和圖4所示。

2.3　驅動通信（xìn）地址設定

PLC 與（yǔ）驅動器通信采用 EtherCAT 協議，需要設置驅動（dòng）的地址，依次把驅動 SD20_TZ 的從站地址設置為001，從（cóng）站配置（zhì）別名設置（zhì）為1001，把驅動 SD20_TX 的從站地址設置為 002，從站配置別名設置為 002，把驅動 SD20_TY的從站地址設置為003，從站配置別名設置為1003，把驅動 SD20_TW 的從站地址設置為 004，從站配置（zhì）別名（míng）設置為1004。

圖3 匯川PLC及輸入輸出模塊

圖4 匯（huì）川PLC及驅動模塊

2.4　相關的軸參數設定

在匯川 PLC 軟件裏，驅動 SD20_TZ 下（xià）麵添加伺服軸 Axis_TZ，雙擊伺服軸，點擊（jī） SoftMotion 驅動基本的參數設置、SoftMotion 驅動縮放 / 映射對話框，點擊對話（huà）框中“模數”表示的是旋轉軸，“限定的”表示直線（xiàn）軸，本項目中的 TZ、TW 為旋轉軸，模值都為360，表示行程是0°～ 360° ；TX、TY 為直線軸，需要設置行程，也就是正負限位。在驅動基本參數設置裏，還可以設置電機的加減（jiǎn）速、電機的編碼器位數、旋轉（zhuǎn）方向、傳動比、螺距。

3、ATC換刀機構電氣件組成、PLC地址（zhǐ）分配表及換刀時序圖

3.1　德士ATC換刀機構電氣件組成

從圖1可以看出（chū），ATC 換（huàn）刀（dāo）機構的 4 個電機分別由 4個驅動（dòng）器控製，分別（bié）是 Z 軸伺服驅動器、型（xíng）號（hào）為 SD20-E-102-T2，電（diàn）機型號為 SMMB-751-S-3-7-E-D-K，用來控製刀庫的旋轉；X 軸伺服驅（qū）動器、型號為（wéi） SD20-E201-T2，電機型（xíng）號為 SMMB-751-S-3-5-B-D-K（帶（dài）抱閘），用來帶動氣缸夾頭上下移動；Y 軸伺服驅動器、型號（hào）為（wéi） SD20-E-201-T2，電機型號為 SMMB-751-S-3-5-E-D-K，作用是帶動氣缸夾頭前後移動；W 軸伺服驅動器，型號為 SD20-E-201-T2，電機（jī）型號為 SMMB-751-

S-3-5-E-D-K，用來實現氣缸夾頭上的刀具與（yǔ）主（zhǔ）軸上的刀具交換；根據各軸所（suǒ）帶負載不同，從驅動和電機的（de）型號可以看出，TZ 軸的功率比其他 3 個（gè）軸大一個等級，其他3軸的功率均相同。控製整個機構的 PLC 為匯川 AM600-CPU1608TN 型 PLC。

3.2　 PLC地址定義以及PLC與機床（chuáng）交互信號

由表1可以看出，PLC 地址和機床地址同時出（chū）現表（biǎo）示PLC 與機床有交互信號。主要是（shì）機床給 PLC 的換（huàn）刀啟動命（mìng）令、刀具號（hào），以及換刀（dāo）完成（chéng）信號，從地址的輸入輸出可以看出，機床的輸出信號（hào）是 PLC 的輸入信號（hào），機床（chuáng）的輸入信號剛（gāng）好是 PLC 輸出信（xìn）號。

表1 PLC信號表（biǎo）

3.3　德士ATC換刀時（shí）序圖

德士 ATC 機構換刀前，所有的軸、功能部件和機床（chuáng）主軸位置都應該處於零點位（wèi）置，如圖5所示，換刀動作的先後流程為（wéi）：機床給匯川 PLC 發出目標刀號指令且（qiě）同時啟（qǐ）動（dòng）換刀命令 -TZ 軸旋轉尋找目標刀號，同時打開機床換刀氣（qì）動門→ TZ 軸上的目標（biāo）刀號到位後，氣缸夾頭（tóu）伸出→ TY 軸向下移（yí）動，到達抓（zhuā）緊刀具位置→氣缸夾頭縮回→ TX、TY 軸移動到刀具交換點，同時（shí） TZ 軸旋轉到還刀點→ TW 軸（zhóu）旋轉到位1，手柄兩端分別抓住主（zhǔ）軸和氣缸夾頭上的刀具，TW 軸（zhóu）凸（tū）輪機構到（dào）達（dá）上（shàng）限位，為卸刀做好準備→主軸刀具鬆開→ TW 軸旋轉帶動主軸和氣缸夾頭上的刀具向下（xià）豎直移動直（zhí）到凸輪機構（gòu）下限位，即主軸和氣缸夾頭上的刀具被安全（quán）取下，兩把刀具都在手柄的兩端手腕上→ TW 軸旋轉到（dào）位2，為主軸裝刀做好準備→ TW 軸旋轉帶動主軸和氣缸夾頭上的刀具向上豎直移動直到 TW軸凸輪機構的（de）上限（xiàn）點→主軸刀具夾緊→ TW 軸回到原點→ TX、TY 軸（zhóu）回（huí）到還刀點，同時關閉機床換刀氣動門→氣缸夾頭伸出→ TY 軸向上移（yí）動→氣缸夾頭縮回→換刀完成。

圖5 德士ATC換刀時序圖

3.4　 ATC換刀機構PLC梯形（xíng）圖（tú）

在（zài）編寫 PLC 梯形圖時，就是把圖5的換刀時（shí）序圖用匯川的（de）相關 PLC 指（zhǐ）令表達出來。

4、結束語

當前（qián）國產數控係統（tǒng）種類繁多，大（dà）多是中低端產品，高（gāo）端領域的數控係統在技術成熟度（dù）上與（yǔ）發（fā）達國家還存在（zài）一定的差距，單通道（dào）五軸聯動數控係統尚不能在市場（chǎng）上廣泛應用，更何況雙通道數控係統，為了充分（fèn）發（fā）揮單通道數控（kòng）係統在機（jī）床上的應用，匯川 PLC 控製的德士 ATC 換刀機構解決了機床加工效率與製造成本的矛盾，彌補（bǔ）了雙通道數控係統沒有在機床上廣泛應用（yòng）的無（wú）奈，降低機床的生產成本，提（tí）升其市場競爭力。

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