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基於1PG 定位模塊的刀庫控（kòng）製技術

2013-3-27 來源：作者：湖南工程學院機械（xiè）工程係（xì）黃菊生, 劉玉（yù）鬆

1PG 是三菱公司FX 係（xì）列PLC 的單軸定位模塊, 常稱為脈衝發生單元PGU ( pulse g eneration unit) 。PLC 通過1PG 向伺（sì）服或（huò）步進電機驅動器提（tí）供指定數量的脈衝, 可（kě）以完成一個獨立軸的（de）定位控製, 脈衝輸出最大可達100 kp/ s。刀（dāo）庫（kù）是加工中（zhōng）心的主要部件, 其結構有盤式、鏈（liàn）式和格子（zǐ）式等種類, 因盤式刀庫結構緊湊、簡（jiǎn）單, 不需機械手, 一般用於（yú）小型加工中心及高校（xiào）機電一體化技術（shù）實踐教學中。單軸定（dìng）位（wèi）模塊1PG 用於無機械手圓盤形刀庫的換刀控製, 采用在刀（dāo）庫與主軸之間直接換刀, 其換刀（dāo）簡單、定位準確。本文以臥式微加工中心為例討論1PG 在刀庫中的控製技術[ 1, 2] 。

1 係統硬（yìng）件接口

在臥式微加工中心中, 主軸水平（píng）進給, 加工（gōng）工件的垂直麵, 圓盤式刀庫的旋轉（zhuǎn）軸與主軸平行, 刀庫中垂直（zhí）主軸的圓盤（pán）上均勻地分布著8 把（bǎ）刀, 通過刀庫的移動直接將加工刀具送到主（zhǔ）軸上換刀。係統中（zhōng）X 軸和（hé）Z 軸由PLC 通過20 GM 控製步進電機實現兩軸聯動（dòng）, Y 軸直接（jiē）由PLC 控製, 拖動主軸前後移動進給完成深度加工, 刀庫由PLC 通過1PG 控製步進電機, 驅動刀庫圓盤旋轉（zhuǎn）實現選（xuǎn）刀。刀庫控製部分的硬（yìng）件接口如圖1 所示。

VIN 為1PG 脈衝輸出的（de）電源端, 接+ 5 V; FP 為脈衝輸出端, 接步進電機驅動器的步進脈衝輸入端CP; RP 為脈衝方向輸出端, 接步（bù）進電機驅（qū）動器的方向電平輸入端DIR; COM0 為脈衝輸出的公共端, 接5 V 地; VIN, FP, RP, COM0 構成1PG 的輸出口, 控製步進電機驅動（dòng）器及步進（jìn）電機運動。DOG 為機器原位信號輸入端, 接刀庫原位接（jiē）近開關傳感器, 作（zuò）為刀庫回原位的控製信號; S/ S 為24 V 電源端（duān）, 接24 V 地（dì）, 用於DOG 輸入。刀庫移動及（jí）鬆刀用到（dào）了3 個接近開關, 它們（men）是主軸鬆刀傳感器接PLC 的X40、刀庫（kù）前進到位接X41、刀庫後退到位接X42。刀庫移動和鬆刀都是（shì）用液壓驅動完成的, 因（yīn）此換刀控製必須要先（xiān）啟動油泵電機。PLC 的Y35, Y36, Y37 分別用於油泵的（de）啟/ 停、主軸鬆刀/ 夾緊、刀庫前進/ 後退的控製。JOG+ 、JOG- 接X43, X44, 為刀庫（kù）旋轉的點動（dòng）控製按鈕, JOG+ 控製（zhì）刀庫步進電機正轉, JOG- 控製反轉。回原位接X45, 作刀庫點動回原（yuán）位按鈕。

2 刀庫控製

2. 1 參數設置

1PG 內部設置（zhì）有32 個緩衝存儲器( BFM) ,用來存放參數設置值、狀態信息和命令字（zì）, PLC對1PG 的（de）控製, 實際上是（shì）通過FROM/ T O 指令（lìng）操作1PG 的這些緩（huǎn）衝存（cún）儲器來（lái）實現的。1PG 的每一（yī）個緩衝存儲器為16 位長數據, 而32 位數據則由（yóu）連續的2 個BFM 組成, 如設置最高速度（dù）用DT O 指令（lìng）寫32 位數據給2 個緩衝存儲器BFM# 5 和# 4。1PG 的初始（shǐ）化設（shè）置如下（xià）:

其中BFM # 3 為係統（tǒng）參數設置, 其它BFM為速（sù）度和定位數據的（de）設置。當設置單位係統（tǒng）為電機係統（tǒng）時, BFM # 0、# 1 和# 2 不需（xū）要設置。本係（xì）統參數設置為2500H, 其含義如表1 所示。主要是設（shè）置（zhì）單位係統為以脈衝為（wéi）單位的電機（jī）係統; 脈（mò）衝輸出格式為帶（dài）方向( DIR) 的（de）脈（mò）衝輸出, FP 為脈衝輸出端, RP 為方向信號輸出端（duān）, 控製步進電（diàn）機一般采用此種脈（mò）衝輸（shū）出方式; DOG 輸入極性為（wéi）當工件（jiàn）接近原位時（shí）, DOG 接近開關ON, 圓盤式刀庫旋轉（zhuǎn）隻設置一個傳感器, 作原位DOG 輸入,采（cǎi）用常開型對應該（gāi）設置[ 3, 4] 。

2. 2 點動（dòng）和回原位控製

PLC 控製刀庫（kù）點動、回原位程序, 以及1PG 的（de）狀態信息、控製命令的讀寫程序如圖2 所示。其中M176 為選擇操作刀庫（kù）, M140 為點動（dòng）操作, M144為自動換刀, 構成點動、自動操作刀庫的條件。

刀庫點（diǎn）動（dòng）操作有點動回原位、點動正轉、點動反轉（zhuǎn）, 可以用於刀庫（kù）的定位調試。係統設計按下X43, X44, X45 按鈕, 使對應的M124, M125, M126 得電, 分別（bié）驅動（dòng）刀庫正向點動( JOG+ ) 、反向（xiàng）點動( JOG- ) 、回原位。而M127 則始終為0,表示刀庫旋轉采用絕對位置。M124, M125, M126, M127 命令信號通過M8000 驅動/ T O K0K25 K4M120 K10指令, 實時寫入（rù）1PG 的命（mìng）令緩衝存儲器（qì）BFM# 25 的b4, b5, b6, b7 位, 如表（biǎo）2所示。實際上該指（zhǐ）令是將PLC 中的M120 ~M135 共16 點數據全部實時地寫入BFM# 25, 因此PLC 的任何命令信息都能及時發送到1PG中, 控製（zhì）刀庫步進電機運動。

BFM# 25 的b8~ b12 為各種操作模式, 隻能選擇其中之一（yī）, 同時選兩種以上（shàng）無效, 本刀庫控製采用單（dān）速定位模式b8。選好刀具（jù）後, 程序驅動（dòng）M128 得電, 則b8= 1 啟動單速定位（wèi）操（cāo）作（zuò）, 驅動刀庫步進電機運（yùn）動, 按設置的脈衝（chōng）數旋轉到位後停下（xià）, 這個過（guò）程就是刀庫定位。M300 為自動換刀時, 驅動刀庫回原位用的。

程序中通過M8000 驅動, 用FROM 指令實時將（jiāng）1PG 中的狀態信息( BFM# 28) 讀到PLC 的M80~ M95, 以獲得刀庫原位返回結束、單速定位結束標誌, 其（qí）內容（róng）如表3 所（suǒ）示。刀庫控製中用到了兩個標誌位b2 和b8。b2= 1 表示原位返回結束, b8= 1 表示定位結束, 分別（bié）使（shǐ）M82, M88 接通, 然後PLC 順（shùn）序（xù）控製程序用M82, M88 去驅動係統（tǒng）轉入下一步操作。

2. 3 刀庫定位（wèi）控製

換刀是一個準確定位的過程, 為了實現高精度（dù）定位, 係統采用了細分驅動及蝸輪蝸杆減速傳動。刀庫（kù）步進電機步距角1. 8b, 細分驅動器設置為64 細分, 蝸輪蝸杆傳動減速比為1 B 38, 則脈衝當量為( 0. 74 @ 10- 3 )b( 1. 8b/ ( 64 @ 38) ) 。刀庫圓盤上均勻（yún）分布著8 把刀, 按絕對位置計算, 可得到各（gè）刀具距離原位的旋轉脈衝數, 如表4 所（suǒ）示。

換刀時, 首先將刀具的（de）位置脈衝數通過DMOV( 如DMOV, K121621, D212, 選3 號刀) 指令傳送給D212, 然後用DT O 指令將D212 的數據傳送給（gěi）1PG 的（de）位置存儲器BFM # 17 和# 18,並程序驅動M128 為ON, 啟動單速定位操作。刀庫定位結束會置標誌位BFM# 28 的b8 為1,使M88 為（wéi）ON, 順控程序用M88 驅動（dòng）進行下一步操作。指令如下（xià）:

3 自動（dòng）換刀程（chéng）序

換刀過程（chéng）就是把已用刀具取（qǔ）下（xià）放到刀庫上, 換上新刀具繼續加（jiā）工。自動換（huàn）刀過程涉及到（dào）一係列的順序控製, 包括Y 軸（zhóu）回（huí）原位與刀（dāo）庫（kù）回原位、Y 軸後（hòu）退、刀庫前進、主軸鬆刀、Y 軸後（hòu）退( 取下已用刀具) 、刀庫旋轉、Y 軸前（qián）進、主軸夾刀、刀庫後退( 換上（shàng）新刀具) 、Y 軸前（qián）進( 準備加工（gōng）) , 如圖4 所示。其中Y 軸的前進與後退控（kòng）製, 各次（cì）的前進/ 後退參數中, 隻有脈衝數不同, 脈衝速率及對脈衝計數器清（qīng）0 都相同, 為DMOV, K5000, D102, DMOVP, K0, D8142。因此, 在順控程序中後麵隻列出脈衝數, 不（bú）再列脈衝速（sù）率（lǜ）及對脈衝計數器清0 項（xiàng）。