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机械，2011，12（04）
数控加工中心自动换刀系统的研究
郑新武，章明众，李春木，李寅，陈永明 （厦门大学 机电工程系，福建厦门 361005）
摘要：自动换刀系统（ATC）包括刀库机构、换刀机构以及控制系统3个部分，是加工中心的重要组件之一。为了解决数控加工中心自动换刀速度慢、稳定性低及控制系统编程复杂等问题，将一种软件式内置PLC技术应用于自动换刀系统中。在分析自动换刀系统的基本结构、工作原理以及研究圆盘刀臂式自动换刀系统的控制流程的基础上，结合ServoWorksCNC技术，开发了适用于各种自动换刀机构的PLC程序以及宏程序。最后，将所开发的控制系统应用于YY-1060立式加工中心，其在4s-6s内可完成整个换刀过程。研究结果表明，换刀过程快捷、准确、可靠，完全能够满足使用的要求。
关键词：加工中心；自动换刀；可编程逻辑控制器 1.引言
利用刀库(MAG)实现自动换刀是目前加工中心大量使用的换刀方式,独立的刀库大大增加了刀具的存储数量,有利于扩大机床的功能,并能较好地隔离各种影响加工精度因素的干扰。加工中心的常用刀库类型有：盘式刀库和链式刀库。刀库换刀方式按照换刀过程有无机械手参与，分成有机械手换刀和无机械手换刀。本研究以YY-1060立式加工中心装备的DEX-A402盘式刀库有机械手自动换刀机构为对象，对自动换刀系统(ATC)进行研究。
可编程控制器（PLC）是自动换刀系统的核心部分。目前，国内对自动换刀机构的控制多采用传统PLC（简称硬PLC）及单片机，如三菱FX系列的PLC控制、西门子S7-200系列PLC、AT98C51单片机。硬PLC控制方法没有专用的选刀指令，需要编写复杂的选刀PLC程序，同时无法通过宏程序简化数控编程过程；采单片机控制电路搭建复杂，系统稳定性较低，编程复杂。本研究采用的LadderWorks是一种基于ServoWorks技术的软件式内置PLC系统，可与CNC之间进行内部的信号的快速传输。
2.库的结构及换刀动作
自动换刀机构主要构成包括：刀臂电机、凸轮、刀臂、刀库电机、刀杯、刹车、松夹刀、原点讯号轮等。DEX-A402自动换刀机构如图1所示。
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图1 自动换刀机构 图2 刀臂动作
刀臂动作由步进电机驱动，换刀动作分4各步骤完成。刀臂电机单方向旋转，通过自动换刀机构中的凸轮机构控制刀臂的正反转，该驱动方式提高了刀臂旋转角度的精度，同时简化了电机的控制。刀臂运动的具体流程如图2所示。
3.换刀指令
数控编程通过T指令、M指令完成自动换刀动作，换刀指令经系统内部译码，将目标刀号、宏指令号译为相对应的二进制数保存到系统指定的寄存器。ServoWorksPLC系统中T指令译码到F26，M指令译码到F10，用户可根据换刀动作要求编写宏程序以及PLC程序。T指令指定目标刀号，完成刀库选刀、刀库旋转方向的判断以及旋转步距的确定；M指令指定宏程序号，根据换刀要求完成主轴回零，Z轴回换刀点，刀臂旋转方向、位置以及刀杯上下等动作。
3.1 刀具的选择（T指令）
刀具的选择是把刀库上指定的刀具转到换刀位置，该动作由T功能指令实现。自动换刀系统（ATC）根据来自刀库的位置信息和T指令，按照给出的命令，控制系统决定刀库的旋转方向、要求的步数等，通常可采用记忆模式随机控制和机械随机控制两种方式。机械随机控制每把刀对应各自的刀套，通常在主轴和刀库之间，以“中间刀套”提供换刀。相比而言，记忆模式随机控制采用指针方式，指针指出了刀库旋转的位置，每把刀具和刀套不总是一一对应，该控制方式换刀迅速、可靠。一般根据刀库的机械结构选择换刀的控制方式，以下介绍一种浮动指针系统的换刀方式：用户通过T指令指定刀号，系统译码后，在浮动指针指向的内存中找到对应刀具号，采用系统专用指令ROTB判断刀库旋转方向及旋转距离，刀库旋转到目标刀具位置完成选刀动作，M6指令完成换刀动作，具体流程如图3所示。
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图3 选刀流程图
3．2 换刀指令（M指令）
辅助M指令通过系统译码到PLC中R点（内部继电器），用户根据动作要求编写PLC程序。ATC的辅助M指令主要有：M6换刀，M19主轴定位，M86刀库初始化等。加工中心刀库换刀流程如图4所示。
图4 换刀流程图
ServoWorks CNC可以根据用户的需求自定义G/M/S/T宏调用简化数控编
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程，常用机床运动程序可集成到一个指令中，如使用M06完成整个换刀动作。宏程序可以同名调用辅助M指令。系统内部指定存储单元分类储存移动指令，如G00、G01、G02G03等指令存储在系统变量#4001。宏指令调用方法如下：
O9001 G40G80 #510=#4001 #511=#4001 #512=#4003 #513=#1032AND256 #514=#BIN[#513]
（IF[#512EQ#514]GOTO N 1000） G90G30Z0 M19 M6
G#510G#511 N1000M99
4.PLC程序开发
自动换刀PLC程序主要包括刀库选刀程序及刀臂换倒程序。ServoWorksPLC程序的地址有：机床到PLC的输入信号（X），PLC到机床的输入信号（Y），CNC引擎到PLC引擎的信号（F），PLC引擎到CNC引擎的信号（G），中间继电器（R），计数器（C），计时器（T）等。下面通过PLC的R点描述换刀动作。
4.1 刀库选刀PLC的程序
基于LadderWorksPLC的自动换刀指令（如图3所示）主要有：刀具号搜索指令DSCH、旋转方向和距离计算指令ROTB、刀库旋转刀位计数指令CTR。
DEX-A402刀库刀具容量为24把，刀库选刀主要PLC程序如图5所示。程序中R270存储目标刀号，DSCH指令在D20起的25个存储单元寻找与R270相同内容的地址，并存储到R280；CO指定刀库的刀具容量，ROTB指令实时计算目标刀杯号R290与当前刀杯号C2之间的步距及方向，R283存储布距，R203。6存储旋转方向；C2的计数由CRT指令完成，刀库旋转方向R960.3决定C2的增、减计数，R200.4为刀杯计数信号。
4.2刀臂换刀PLC程序
换刀PLC程序实现刀臂的旋转动作控制。自动换刀机构通过刀臂电机带动凸轮控制刀臂运动，机构配备的刹车讯号轮及凸轮讯号轮提供刹车信号、松夹刀信号、原点信号，通过以上信号的时序图编写刹车位置。位置1对应原点位置，
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位置2对应刀臂正转60度，位置3对应刀臂正转180度。本研究根据换刀流程图编写换刀PLC程序，如图6所示。
图5 刀库选刀程序 图6 换刀PLC程序
4.3 存储单元刀号互换
自动换刀是一个随机连续的过程，在换刀完成后需要修改存储单元中内容，保证下次准确换刀。存储单元刀号互换，完成主轴刀号D20与当前刀杯号对应刀号D(20+C2)调换，通过中间存储器D18过渡，具体的实现方式如图7所示。
图7 存取单元刀号互换
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电气工程及其自动化专业外文翻译
