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匯川PLC-AM600控製德士ATC換刀機構（gòu）

2024-9-9 來源：沈陽工學院機械工（gōng）程與自動化學（xué）作者：黃一師

［摘要］刀庫是機床重要（yào）的組成部件（jiàn），為了滿足不同零件的加工需求，希望（wàng）機床上（shàng）的刀庫容量（liàng）大，能夠容納多種類多數量的刀具，減少人工在刀（dāo）庫上裝卸刀具的時間，從而提高數控機床的加工效率，如果使用（yòng）數控係統自帶的伺服電機來控製（zhì）換刀（dāo）機構，係統控製軸數多，單通道的數控係統（tǒng）很難滿足要求，而選擇雙通道的（de）數控（kòng）係統會帶來機床製造成本（běn）的增加，現在就有這樣一個方案，匯川 PLC-AM600配上國產的 EURA 伺服驅動 SD20，能夠控製台灣德士的 ATC換刀機（jī）構，實現高效精準換刀且不增（zēng）加（jiā）機床的製造成本。

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

0　引言

數控係統主要由控製係（xì）統、伺（sì）服係統和位置測量係統等三大部分組成。一台數控機床控製的軸數越多，需要的驅（qū）動器和電（diàn）機數量也會相應增加。然而目前很多國產（chǎn）單（dān）通道數控係統，控製伺服軸的數量是有限的（de），數（shù）控係統（tǒng）控製（zhì）的伺（sì）服軸超過一定（dìng）數量後，單通道數控（kòng）係統就無法勝任，需要改用雙通道的數控係統。雙通道數控係統價格昂貴（guì），加上造（zào）價不低的伺服係統，導致機床（chuáng）製造成本飆升，市場競爭處於不利位置。鑒於國產（chǎn）數控係統存在的上述問題，文章選（xuǎn）擇在單通道（dào）係統情況下，參與加工插補的伺服軸由數控係統控製（zhì），不（bú）參與插補的選刀功能軸改由匯川 PLC來控製，在不影響機床（chuáng）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（zhěng）性，機床製（zhì）造成本得（dé）到有（yǒu）效控製（zhì）。

1、德士ATC換刀機構工作原理（lǐ）

德士換刀機構最（zuì）核（hé）心的部件是（shì）帶動換刀（dāo）機械手（shǒu）炳運動的凸輪分割器，凸輪分割器在工（gōng）程上又稱為（wéi）凸輪分（fèn）度器、間歇式分割器，是一種高精度的旋轉（zhuǎn）裝置，在結構上屬於空間凸輪分度機構（gòu），在自動機械中主（zhǔ）要實現周向間歇輸送、直（zhí）線方向間歇輸送和回轉驅動機械手功能。凸（tū）輪分割器具有分度精度高、運行平穩、定位自鎖、結構緊湊、體積小、噪聲低、傳遞扭矩大、高速性能好和壽命長等顯著特（tè）點。在凸輪分割器中，凸輪分割器通過輸（shū）入軸上的凸輪與輸出轉塔進行連接，並且徑（jìng）向嵌在有輸（shū）出轉塔圓周外麵（miàn）的凸輪滾子上，與凸輪的錐（zhuī）度（dù）支撐肋（lèi）在他們相應的曲線斜麵上作線性接觸分割器（qì）運動。在輸入軸旋轉的情況下，凸輪滾子根據給定的位移曲線旋轉帶動輸出轉塔，同（tóng）時又沿（yán）著支撐肋的斜麵滾動。在支撐肋與凸輪的端麵平衡的區域裏，即（jí）在凸輪分割器靜止範圍內，滾子（zǐ）與軸（zhóu）接觸的情況下，輸出轉塔自身並不作旋（xuán）轉動作。錐度支撐肋通常（cháng）與2個或3個凸輪滾子進行接觸，使得轉動（dòng）的輸入（rù）軸可以均勻地傳送到輸出軸上（shàng），這種曲線的接觸在加工粗糙或旋（xuán）轉不通暢的情況下，通常對於凸輪分割（gē）器的損壞是很大的，因（yīn）此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以消除旋轉循（xún）環不順暢的情況。也可以通過調節預負荷（hé）來接近凸輪滾子（zǐ）與凸輪的彈性區域，加強分割器的剛（gāng）性。其結構與功能就是轉位凸輪與凸輪滾子相結合的較佳性能（néng），這種（zhǒng）結構（gòu）也可以做高速的運動。

2、川PLC-AM600控製德士ATC換刀機構（gòu）應用組（zǔ）成

2.1　硬件組（zǔ）成

德士 ATC 換刀機（jī）構如圖1所示，整（zhěng）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（de）機械手柄、氣缸伸縮夾頭組成，其中，TZ 軸負（fù）責刀庫的（de）旋轉，分上下兩層（céng），下層刀號為1 ～ 24，上層刀號為25 ～ 48，總容量48工位（wèi）；TX 及 TY 軸負責移動氣缸（gāng）夾頭，實現在 TZ 軸上取刀和還刀，並與裏麵刀柄 TW 軸交換主軸上的刀具，TW 軸（zhóu）負責主軸上刀具和機械手上的刀具交換位置，實現換刀。此軸是整（zhěng）個德士換刀機構的（de）核心，主要利用了凸輪分割器（qì）的工作原理。圖2是匯川 PLC 控製德士 ATC 換刀機（jī）構在車（chē）銑加工機床上的應用場景（jǐng）。

圖1 德士（shì）ATC換刀機構組成（chéng）

圖2 德士ATC機（jī）構在機床上的應用（換刀）

2.2　匯川PLC組（zǔ）態（tài）

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

圖3 匯川PLC及輸入（rù）輸出模塊

圖4 匯川PLC及驅動模塊

2.3　驅動通信地址設定

PLC 與驅動（dòng）器通信采用 EtherCAT 協議，需要（yào）設置驅動（dòng）的地址，依次把驅動 SD20_TZ 的從（cóng）站地址（zhǐ）設置為001，從站配（pèi）置別名設置為1001，把驅動 SD20_TX 的從站地（dì）址設置為 002，從站配置別名設置為 002，把驅動（dòng） SD20_TY的從（cóng）站地址設置為003，從站配置別（bié）名設置為1003，把驅動 SD20_TW 的從站地址設置為 004，從站（zhàn）配置別（bié）名設置（zhì）為1004。

2.4　相關的（de）軸參數設定

在匯川 PLC 軟件（jiàn）裏，驅動（dòng） SD20_TZ 下麵添（tiān）加伺（sì）服軸 Axis_TZ，雙擊伺服軸，點擊 SoftMotion 驅動基本的參數設置、SoftMotion 驅動縮放 / 映射對話框，點擊對話框（kuàng）中“模數”表（biǎo）示的是旋轉軸，“限定的”表示直線軸，本項目中的 TZ、TW 為旋轉軸，模值都為360，表示行（háng）程是0°～ 360° ；TX、TY 為（wéi）直線軸，需要設置行程，也（yě）就是正負限位。在驅動基本參數設置裏，還可以設置電機（jī）的加減速、電機的編碼器位（wèi）數、旋轉（zhuǎn）方向、傳動比、螺距（jù）。

3、 ATC換刀機構電氣件組成、PLC地址分配表（biǎo）及換刀時序圖

3.1　德（dé）士ATC換刀機構電氣件組成

從圖1可以看出，ATC 換刀機構的 4 個電機分別由 4個驅動器控製，分別是 Z 軸伺服驅動器、型號為 SD20-E-102-T2，電機型（xíng）號為（wéi） SMMB-751-S-3-7-E-D-K，用來控製刀庫的旋轉；X 軸（zhóu）伺服驅動器、型號為 SD20-E201-T2，電機型號為 SMMB-751-S-3-5-B-D-K（帶抱（bào）

閘），用來帶動氣缸夾頭上下移動；Y 軸伺服驅動器、型號為 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（wéi） SD20-E-201-T2，電機型號為 SMMB-751-S-3-5-E-D-K，用來實現氣缸夾（jiá）頭上的刀具與（yǔ）主（zhǔ）軸上的刀具交換（huàn）；根據（jù）各軸所帶負載不同，從驅動和電機的型號可以看（kàn）出，TZ 軸的功率比其（qí）他 3 個軸大一個等級，其他3軸的功率均相同。控製（zhì）整（zhěng）個機構的 PLC 為匯川 AM600-CPU1608TN 型（xíng） PLC。

3.2　 PLC地（dì）址定（dìng）義以及PLC與機床交互信號

由表1可以看出，PLC 地址和機床地址同（tóng）時出現表示PLC 與（yǔ）機床有交互信號。主要是機床給 PLC 的換刀啟動命令、刀具（jù）號，以及換（huàn）刀完成信號，從地址的輸入輸出可（kě）以看出，機床的輸出信（xìn）號是 PLC 的輸入信號，機床（chuáng）的輸入（rù）信號剛好是 PLC 輸出信號。

表（biǎo）1 PLC信號表

3.3　德士ATC換刀（dāo）時序圖

德士 ATC 機構換刀（dāo）前，所有（yǒu）的軸、功能部件和機床主軸（zhóu）位（wèi）置都應該處於零點位置，如圖5所示，換（huàn）刀動作的先（xiān）後流程為：機床給匯川 PLC 發（fā）出（chū）目標刀號指令且同時啟動換刀命令 -TZ 軸（zhóu）旋轉尋找目標（biāo）刀號，同時打開機床換刀氣動門→ TZ 軸上的目標刀號到位後，氣缸夾頭伸出→ TY 軸向下移動，到達抓緊刀具位置→氣缸夾頭縮回（huí）→ TX、TY 軸（zhóu）移動到刀（dāo）具交換（huàn）點，同時 TZ 軸旋轉到還刀點→ TW 軸旋轉到位（wèi）1，手柄兩（liǎng）端分別抓住主軸和氣缸夾頭上的刀具，TW 軸凸輪機構到達上限位，為卸（xiè）刀做好（hǎo）準備→主軸刀具（jù）鬆開（kāi）→ TW 軸旋轉（zhuǎn）帶動主軸和氣缸夾（jiá）頭（tóu）上的刀具向下豎直移動直到凸輪（lún）機構下限位，即主軸和氣缸夾頭（tóu）上的刀具被安全取下，兩把刀具都在手柄的兩端手腕上→ TW 軸（zhóu）旋轉到位2，為主軸裝刀（dāo）做好準備→ TW 軸旋轉帶動主軸和氣缸夾頭（tóu）上的刀具向上豎（shù）直（zhí）移動直到 TW軸凸輪機構的上限點→主軸刀具夾緊（jǐn）→ TW 軸（zhóu）回到原點→ TX、TY 軸回到還刀點，同時關閉機床換刀氣動（dòng）門（mén）→氣缸夾頭伸出→ TY 軸（zhóu）向上（shàng）移動→氣（qì）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（gòu）PLC梯（tī）形圖（tú）

在編寫 PLC 梯形圖時，就是把圖（tú）5的換刀時序圖用匯川的相關 PLC 指令表達（dá）出（chū）來。

4、結束語

當前（qián）國產數控係統種類繁多，大多是中低端產（chǎn）品，高端（duān）領域的（de）數控係統在技術成熟度上與發達國家還存在一定的差距，單通道五軸聯動數控係統尚不能在市場上廣（guǎng）泛（fàn）應用，更何（hé）況雙通道數控係統（tǒng），為了充分發揮（huī）單通道數控係統在機床上的應用（yòng），匯川 PLC 控製的德士 ATC 換（huàn）刀機構解決了機床加工效率（lǜ）與製造成本的矛盾，彌補了雙通道數控係統沒有在機床上廣泛應用的（de）無奈，降低機床的生產成本，提升其市場競爭力。

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