基于PLC的自动换刀系统研究.pdf

第 1 1 期 2 0 1 2年 1 1月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 6 9 文章编 号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 2 1 1 - 0 0 6 9 ～ 0 2 基 于 P L C的 自动换 刀 系统研 究 张跃明 官文邓卫平 李园园 北京工业大学 机械工程与应用电子技术学院， 北京 1 0 0 1 2 4 Th e St u d y o f t h e S y s t e m o f Au t o ma t i c To o I Ch a n g e r Ba s e d o n PL C ZHANG Yu e mi n g， GUAN ．W e n， DENG W e i p i ng， LI Yua n y ua n N s t i t u t e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g a n d A p p l i c a t i o n o f E l e c t r o n i c T e c h n o l o g y ， B e i j i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o gy， B e i j i n g 1 0 0 1 2 4 ， C h i n a ” {一 卓 量 ” ” t一 ” 童一 十 十 ● 十 ● ● ’、 ” 童十 t “ 4 、 I l 卓十十 ” 1 、 童 【 摘要 】 分析了链式刀库系统的运行过程，设计了一种基于P L C的 自 动换刀系统。利用三菱 F X1 N 一 4 0 MT小型 P L C输 出指定数量的高速脉冲来驱动刀库的伺服 电机； 带动链式刀库旋转并定位。 利 用 P L C控制电磁 阀的作 用， 继而控制气缸的运动 ， 实现 了对刀具和刀套的翻转。 重点介绍了刀库运行过 程 中刀具的定位、 刀套的翻转及机械手换刀的控制。 关键词 自动换刀装置； P L C； 伺服电机； 气缸 【 Ab s t r a c t 】T h e o p e r ati n gp r o c e s s o fc h a i n s t o r a g e t o o l i s a n a l y z e d , w i t h a c o n t r o l p r o g r a m b a s e d o n P L C p r e s e n t e d ． The F X1 N - 4 O MT P L C p r o d u c e d b y t h e Mi t s u b i s h i ， w h i c h e x p o r t s a s p e c e d n u m b e r o f ．h i g h s p e e d p u l s e s ， i s u s e d t o d r i v e t h e e r v o mo t o r a n d t o c o n t r o l t h e m o v e m e n t o f m a n i p u l a t o r ． T h e P L C i s a l s o u s e d t o c o n t r o l t h e a c t i o n o f t h e a i r c y l i n d e r b y t h e s o l e n o i d v a l v e s f o r o v e r t u r n i n g t h e t o o 1 ． e l o c a t i o n a n d o v e r t u r n oft o o l ， t h e t o o l e x c h ang e b y m ani p u l a t o r a r e i n t r o d u c e d i n d e t a i l ． Ke y W o r d s Au t o ma t i c To o l Ch a n g e r ； P LC； S e r v o M o t o r ； Ai r Cy l i n d e r 中图分类号 T H1 6 ； T P 2 7 1 ． 4 文献标识码 A 1引言 自动换刀装置是专门为大中型加工中心配套，实现刀具储 备及自动交换功能的重要功能部件， 是高档加工中心和重型加工 中心的重要组成部 ” 。自动换刀装置控制系统性能的好坏直接 影响加工中心的性能。刀库及自动换刀装置的结构较为复杂， 而 且换刀动作较多； 动作的相互协调关系较多， 复杂系数较高， 容易 发生故障。因此， 刀库及 自动换刀装置的控制便成为加工中心控 制系统中非常关键的环节。 2系统的总体结构设计 控制系统总体设计框图， 如图 l 所示。 该控制系统主要由人 机界面、三菱小型 P L C F X1 N - 4 0 MT 、伺服电机和气缸组成， F X1 N 一 4 0 M T在自由口通信模式下工作时， 利用 C P U模块的集成 接口进行通信 目 ， C P U集成接口采用了P P I 硬件规范，其接口为 R S 4 8 5串口， 利用 R S 一 2 3 2 ／ R S - 4 8 5转换器与带有 R S 一 2 3 2 标准接 口的人机界面连接进行通信。 刀库及 自动换刀装置的控制主要包 括 刀具运动的控制、 刀套翻转运动的控制、 机械手换刀的控制。 1 刀具运动的控制 刀具的运动主要由伺服电机控制， 同时利用 接近开关检测链条运动的信号 ， 将信号反馈给 P L C， 继而控制链 条的运动和停止。接近开关采用的是欧姆龙公 司的 E 2 G- M1 2 K S 0 2 。 2 刀套翻转运动的控制 刀套的翻转主要由气缸完 成， 其运动由 P L C控制。P L C控制电磁阀的动作， 即气缸的进气 和排气。 在气缸上安装磁感应开关检测气缸中活塞的位置对 P L C 进行反馈。气缸选用的是亚德客 A i r T a c 公司的标准型 s c系列 单作用气缸 S C 1 0 0 x 8 5 一 S B J 3 4 5 A，使用压力范围为 O ． 1 5 - 0 ． 8 M P a ； 配套电磁阀为二位五通电磁阀4 V 2 2 0 - - 0 8 。 磁感应开关选用 的是某公司的C S 1 一 F 。 3 机械手换刀的控制 机械手的运动由电 机和凸轮箱联合控制， 并由机械手位置反馈装置检测机械手的旋 转信号；将旋转信号反馈给 P L G， P L C控制电机的作用继而实现 对机械手运动的控制。 伺服电机} _ _ 刀库I 可 编 程 逻 A T C 检 测 装 置卜 辑 控 制 器 F X 1 N 4 0 M T 压 卜 圃一匦 I 电 磁阀} _ _ - 叫气缸I 图 1系统总体设计框图 3刀库及机械手换刀过程的控制 3 ． 1刀具运动过程的控制 链式刀库刀具的运动由伺服电机控制，伺服电机带动圆柱 分度凸轮转动， 圆柱分度凸轮再带动链轮转动 ； 凸轮旋转一周链 轮运动一个刀位。 3 ． 1 ． 1选 刀过程 分析 刀库中存有 3 2把刀具， 分别置于 1 至 3 2号刀座上。 假设 m 号刀座上的刀具现在处于刀套翻转位置， 要求取 n号刀座上的 刀具 m和n是 1 至 3 2 之间的任意数， 。要正确取到 n号刀座上 的刀具， 就必须正确判断电机的转向和正确记忆经过刀套翻转 ★来稿 日期 2 0 1 2 0 1 2 6★基金项 目 “ 高档数控机床与基础制造装备” 科技重大专项一大型刀库及 自动换 刀装置开发 2 0 1 1 Z X I MO 1 1 - 0 2 1 7 0 张跃明等 基于P L C的 自动换刀系统研究 第 1 1 期 位置的刀座号。刀具选择的流程图， 如图2 所示。 图 2刀具选择流程图 1 当 一 ， l I ≤1 6 时， 如果 m n 。 则刀库顺时针转过 im n 1 个 刀位； 如果 m 1 6 时， 如果 m n， 则刀库逆时针转过 3 2 一 Im n 1 个刀位； 如果 r a n ， 则刀库顺时针转过3 2 - 1m n 1 个刀位。 3 ． 1 ． 2 刀具的定位 刀库的定位检测装置， 如图 3 所示。 在圆柱分度凸轮的轴的 下方安裟一个 1 ／ 4圆弧形铁板， 铁板上方安装两个光电开关。当 伺服电机带动圆柱分度凸轮转动时， 圆弧形铁板和分度凸轮同步 转动， 这时光电开关能够检测到圆弧形铁板的转动信号。 0 5 l 2 1 9 图3接近开关检测圆柱凸轮旋转信号 Dl D2 8 1 4 5 图 4刀具定位程序 图 刀具定位的部分程序图， 如图 4 所示。 y 为电机转动的方向 信号， l ， 为电机的使能信号， 为右侧光电开关输入信号， 如图 3 所示。 为左侧光电开关输入信号。当圆柱凸轮正转时， 第 5 步 开始执行； l ， 和 ’ ， 4 接通， 光电开关 感应到圆弧铁板的信号， P L C的内部计数器 开始计数；直到计数器的值等于数据寄存 器 D 1 时 导通。 当圆柱凸轮反转时， 第 1 2 步开始执行。 或 c ， 导通时程序第1 9步执行 ， P L C内部的特殊辅助继电器 M8 1 4 5导 通， P L C禁止 y 0 输出高速脉冲， 电机停止运动。 3 ． 2刀套翻转及机械手换刀的控制 通过链条完成刀具的定位以后，则需将刀库中的刀具和机 床主轴上的刀具进行交换。 整个过程由气缸和机械手完成。 在链 条背后， 整个刀库中间偏前的位置上固定一个专用于刀套翻转的 直线往复气缸， 通过一个二位五通电磁阀控制其活塞杆的往复运 动，从而带动连杆及拨叉直接拨动换刀位上的刀套，使其完成 9 0 o 往复翻转。机械手的整个换刀过程由凸轮箱控制 ， 控制机械 手换刀只需控制电机的转动即可。 翻 刀 磁 O N l 性 开 关 0 F F 气 回 刀 磁 O N 1 I 缸 性 开关 0 F F 动 翻 刀 O N I 作 电 磁阀 O F F 回刀 O N l 电 磁阀 O F F A T C 电 机动作 O N l O F F - 图5刀套翻转和A T C电机运动时序图 刀套翻转和A T C电机运动时序图， 如图5 所示。 1 在未换 刀前， 回刀信号的磁性开关应闭合； 换刀电机停止运转。 2 进入 换刀过程， 接通翻刀电磁阀信号 1， 翻刀气缸缩回， 使回刀磁性开 关断开， 翻刀磁簧开关闭合， 发出翻刀定位信号 2 。 3 再经过一 段时间 大约 O ． 1 0 ． 2 5 s ， 目的在使翻刀气压缸内气压充足， 机械 手抓刀时才不会造成刀套的轻微晃动 ，接通 A T C电机信号3， 机械手开始旋转完成整个换刀过程。 4 当机械手完成换刀动作 后， A T C电机发出停止信号 4 ， 同时接通回刀电 磁阀。 翻刀气缸伸 出， 使翻刀磁性开关断开， 回刀磁性开关闭合， 发出回刀定位信号 6， 经过一定时间后， 回刀电磁阀失电； 换刀动作完成。 4伺服电机的控制 系统采用的是安川三相 2 0 0 V用 S G D V 一 1 2 0 A O 1 A伺服驱动 器驱动安川 S G M G V 一 1 3 A D C 6 1 伺服电机。伺服驱动器有转矩控 制模式、 速度控制模式和位置控制模式目 。 在伺服驱动器设置时将 P n 0 0 0设为 0 0 1 0 ， 即采用位置控制模式， 通过脉冲序列指令来控 制刀套的位置； 以输入的脉冲数来控制位置， 以输入脉冲的频率 来控制刀套运行的速度。伺服驱动器在位置控制模式时， 需用电 子齿轮放大 P L C发出脉冲的频率。电子齿数 比通过 P n 2 0 E和 P n 2 1 0进行设定 。电机为 2 0增量型电机，编码器分辨率要为 1 0 4 8 5 7 。指令单位为 0 ．0 1 。 。减速器的减速比为2 0 1 。 电子齿数比 B ．．P n 2 0 E A 2 1 0 盟整 一固 酶 敌 暑 一 l 0 8 5 7 6 、 ， 2 0 2 09 71 5 20 3 6 0 0 0 ’1 3 6 0 0 所以将 P n 2 0 E设为2 0 9 7 1 5 2 0， P n 2 1 0设为 3 6 0 0 0。伺服单 元的连接示意图， 如图6所示。采用三菱 P L C的高速脉冲输出指 令P L s R P u l s e O u t p u t 在 P L C的集成高速输出点 Y O上输出指定 频率、 占空比为 5 0 ％ 的高速脉冲。指令格式为 P L S R [ s ] [ ] [ S] [ D] 。[ ．s ] 最高频率； [ s ] 总脉冲数； [ S ] 加减速时间； [ D] 设定脉 冲输出的Y地址。C N1 采用的是集电极开路输出的连接， 将 P L C 的脉冲、 方向及清除信号接入伺服单元时应各串联一个限制电 阻， 使输入电流 保持在伺服驱动器允许的范围内 7 1 5 mA 。 第 1 1 期 2 0 1 2年 1 1月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa nu f a c t u r e 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 2 1 1 - 0 0 7 1 - 0 3 x型弹用发动机燃油调节系统的模糊可靠性分析 路国光马静麻莉莉 西北工业大学 动力与能源学院， 西安 7 1 0 0 7 2 A St u d y o n t h e F u z z y Re l i a b i l i t y o f X-En gi n e F u e l Co n t r o l Sy s t e m f o r Mi s s i l e L U G u o - g u a n g ， MA J i n g ， MA L i l i S c h o o l o f P o w e r a n d E n e r g y ， N o r t h w e s t e r n P o l y t e c h n i c a l U n i v e r s i t y ， X i ’ a n 7 1 0 0 7 2 ， C h i n a d 一 十d ’ 十 ’ ／ ， E 一 十d d} 斤 ， ，、 ． 一十 dp ’ ’ ●一 十d d 十 ／ 一 十d ’d ／ ， 十 十d ／ ／ d 十d 十 ／ 十 ’d 十d 十d ’ 十 I 【 摘要】 航空发动机燃油调节系统用常规可靠性理论和方法对其进行描述非常困难， 很难确定其 可靠性的目标值， 为此引入一种基于模糊区间的可靠性分析方法。在建立x型弹用发动机燃油调节系 统故降树的基础上 ， 将模糊数学理论与传统故障树相结合， 对燃调液压系统进行模糊故障树分析。采用 三角线性模糊数来描述各底事件的故障率， 并计算出子系统的模糊故障率。分析结果与 实际使用过程 中出现情况相符合， 为进一步考察整个系统的故障概率， 提高系统可靠性以及改进结构设计提供了理 论依据 和新 方法 。 关键词 燃油调节器 ； 模糊故障树 ； 系统可靠性 ； 故障率 【 Ab s t r a c t 】 h i s d if fic u l t t o d e s c r i b e a n d d e t e r mi n e t h e r e l i a b i l i t y o f t h e t a r g e t v a l u e ofAe r o - e n g i n e e l c o n d i t i o n i n g s y s t e m s w i t h c o n v e n t i o n al r e l i abi l i t y t h e o r y a n d me t h o d s ,f o r t h is r e a s o n ， a r e l i abi l i t y anal y s i s m e t h o d b a s e d o n f u z z y i n t e r v als is p r o p o s e d ． B a s e d o n t h e f a u l t t r e e ofh y d r aul i c s y s t e mf o r r e g u l a t i n g f u e l e n n e of X t y p e mi s s i l e ， a f u z z y u l t t r e e ana l y s i s o n h y d r a u l i c s y s t e m o f f u e l r e g u l a t i o n is i n t r o d u c e d ． c o mb i n g t h e t h e o r y o f f u z z y m ath e m ati c s and t r a d i t i o n alf aul t t r e e ． e t r i a n gul ar l i n e arf u z z y n u mb e r i s u s e d t o d e s c r i b e t h e o c c u r r e n c e p r o b abi l i t y ofb o t t o m e v e n t s a n d t o c o m p u t e f u z z y f a i l u r e r ate ofs u b s y s t e r n s ． r e s u l t i s c o n s i s t e n t w i t h t h e a c t u al s i t u ati o n ． T h e r e s e arc h pr o v i d e d t h e o r e t i c al b asis an d a n e w m e t h o d f o r f u r t h e r i n v e s t i g a t i o n i n p r o b abi l i t y o f t h e e n t i r e s y s t e m f a i l u r e ， i n o r d e r t o d e s i g n a n i m p r o v i n g s t r u c t u r e an d t o ma ke ahi g h -r e l i a bi l i t y s y s t e m． Ke y W or ds Fue l Re g ul a t o r； Fuz z y Fa u l t Tr e e； Sy s t e m Re l i abi l i t y； Fa i l ur e Ra t e 中图分类号 T H1 6 ； V 2 3 1 ． 3 文献标识码 A 1 弓 I 言 间 、 加 速 性 能 、 机 动 性 和 灵 活 性 等 都 有 显 著 影 响 ， 因 此 燃 油 调 节 器 燃油调节器是发动机供油调节系统的执行部件，接受电子 的使用可靠性非常重要。 国内对机械液压式燃油调节器可靠性的 控制器的指令， 进行燃油调节， 完成相应功能。 它对飞机的起飞时 研究比较少 ， 一方面是由于缺乏相关的公开资料可以参考； 再一 ★来稿 日期 2 0 1 2 一 O 1 0 3 图6伺服单元连接示意图 5结论 自动换刀装置作为加工中心的重要组成部分， 采用 P L C进 行控制， 不仅可以简化换刀系统的编码方式和刀具识别装置， 而 且可以通过编程设计换刀方式， 寻找最优路径， 提高加工中心的 工作效率。通过对机械手换 刀过程的分析 ， 设计出了满足其换刀 工艺要求、 简单可靠的控制系统， 使得机械手在性能上得到进一 步的提高， 能够较好的满足数控加工中心在加工对过程中自动 换刀装置的要求 。 参考文献 [ 1 ] 韩越梅加 工中心 自动换刀装置的研究进展 [ J ] ． 装备制造技术 ， 2 0 1 0 ， 5 1 2 8 一 l 2 9 ． [ 2 ] 龚仲华． 三菱 F X系列 P L C 应用技术[ M] ． 北京 人民邮电出版社， 2 0 1 0 ． [ 3 ] 路建萍， 李小宁， 陈运雄． 基于 P L C的刀库自动选刀实验系统开发[ J ] ． 实验室研究与探索， 2 0 0 7 1 0 4 8 5 0 ． [ 4 ] 张奕． 液压与气动传动[ M] ．北京 电子工业出版社， 2 0 1 1 ． [ 5 ] 贺炜 ， 刘俊生 ， 刘志 良， 罗爱辉． 数控加工 中心 A T C弧面分度凸轮运动 学问题研究[ J ] ．组合机床与自 动化加工技术， 2 0 0 3 6 6 6 6 9 ． [ 6 ] 安川 I A C 伺服驱动器∑． V 系列用户手册[ z ] ．安川电机有限公司， 2 0 0 7 ．