1、問(wèn)題的提出
數控車(chē)床上使用的回轉刀架是一種較為簡(jiǎn)單的自動(dòng)換刀裝置，也是數控車(chē)床重要的組成部分，其應用了自動(dòng)控制、傳感檢測等方面的最新技術(shù)，是典型的機電一體化產(chǎn)品。合理選配電動(dòng)刀架，并正確地實(shí)施控制，能夠縮短故障排除時(shí)間，有效地提高生產(chǎn)效率。
根據不同加工對象，自動(dòng)回轉刀架有四方刀架和六角刀架等多種形式?；剞D刀架上分別安裝著(zhù)四把、六把或更多的刀具，并按數控裝置的指令換刀?；剞D刀架在結構上具有良好的強度和剛性，以承受粗加工時(shí)的切削抗力。目前刀架的控制，都是由 CNC 內置 PLC 或固化 IO 控制完成，工程技術(shù)人員理解刀架的控制比較困難，本文擬就FANUC 0i-TF 數控實(shí)訓臺中四方位回轉刀架，通過(guò)外部三菱 PLC 的控制，介紹刀架的工作原理，同時(shí)也可提高工程技術(shù)人員排除或維護刀架水平，降低故障排除時(shí)間。
數控車(chē)床回轉刀架動(dòng)作的要求是：刀架抬起、刀架轉位、刀架定位和夾緊刀架。為完成上述動(dòng)作要求，要有相應的機構來(lái)實(shí)現。
2 、刀架的控制
2.1 自動(dòng)刀架工作原理
①刀架電動(dòng)機正轉，刀架抬起。正轉時(shí)，電動(dòng)機回轉運動(dòng)通過(guò)蝸桿蝸輪機構，轉化為直線(xiàn)運動(dòng)，刀架體向上移動(dòng)。即刀架電動(dòng)機正轉時(shí)，通過(guò)蝸桿和蝸輪機構將驅動(dòng)傳給絲杠，絲杠軸頭固定裝有刀架轉位定位銷(xiāo)盤(pán)，刀架體內孔加工有內螺紋，隨著(zhù)絲杠轉動(dòng)，刀架體內彈簧定位銷(xiāo)入位，刀架體向上移動(dòng)，刀架向上抬起。當刀架體升至一定距離后，刀架體上的端面齒和刀架底座上的端面齒脫開(kāi)。當嚙合齒脫開(kāi)后，通過(guò)銷(xiāo)釘和止推槽的作用，使得絲杠螺母轉動(dòng)進(jìn)行換刀。隨著(zhù)刀架的轉動(dòng)，刀架體內刀位定位銷(xiāo)退出。
②刀架電動(dòng)機正轉尋位。刀架正轉進(jìn)行尋位換刀，PLC 采集霍爾傳感器信號，與選定刀號比對，若傳感器信號與刀號相等，則刀架停止尋位，即正轉停止。
③電動(dòng)機反轉，刀架鎖緊。到達指定刀位時(shí)，刀架電動(dòng)機停止正轉，反向鎖緊，完成整個(gè)換刀的過(guò)程。
2.2 四方電動(dòng)刀架的控制
四方電動(dòng)刀架電動(dòng)機在電氣控制設計時(shí)要正、反轉互鎖，電器元件連接時(shí)勿接錯導線(xiàn)，還要注意電動(dòng)機三相電源線(xiàn)的相序，實(shí)際中可采用相序繼電器進(jìn)行判斷。刀架電動(dòng)機在換刀時(shí)必須先正轉后反轉，這是由四方電動(dòng)刀架機械結構所決定的，否則會(huì )機械卡死，造成電動(dòng)機過(guò)載，損壞電動(dòng)機。在 PLC 程序設計中，若到位檢測信號出現問(wèn)題，或霍爾元件損壞、刀位信號線(xiàn)斷等，則換刀可能不能結束，若正轉或鎖緊時(shí)間過(guò)長(cháng)，PLC 應有相應出錯處理程序，提醒操作人員進(jìn)行檢修。電動(dòng)刀架控制原理圖見(jiàn)圖 1，接線(xiàn)圖見(jiàn)圖 2。
圖 1 電動(dòng)刀架 PLC 控制原理圖
圖 2 電動(dòng)刀架 PLC 控制接線(xiàn)圖
3、主軸的控制
在實(shí)訓臺改造過(guò)程中，我們充分利用現有設備，綜合考慮學(xué)生實(shí)際，采用變頻器實(shí)現對主軸的調速控制。變頻器連接示意圖見(jiàn)圖 3。
圖 3 變頻器與電動(dòng)機連接示意圖
主軸電動(dòng)機采用西門(mén)子 MM420 變頻器進(jìn)行調速控制，MM420 系列有著(zhù)高性能的 V/f 控制性能，可提供低速高轉矩輸出和良好的動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)具有很強的過(guò)載能力，以滿(mǎn)足多種應用場(chǎng)合。使用變頻器前，須先熟悉變頻器的操作面板，再根據實(shí)際應用場(chǎng)景，對變頻器的各種功能參數進(jìn)行設置。
電機正反轉的控制方式可以有二種，一種是面板控制，一種是開(kāi)關(guān)量端子控制，兩種控制方式不同，參數設置也不同。參數設置時(shí)應先恢復出廠(chǎng)值，再設電機參數。
面板控制法主要參數設置：設 p1000 設為 2，開(kāi)關(guān)量端子不接線(xiàn)，由變頻器面板控制電機的正反轉。
開(kāi)關(guān)量端子控制主要參數設置：變頻器 5、6、7、8 為開(kāi)關(guān)量端子。設 p1000 設為 2，開(kāi)關(guān)量端子 5 接正轉控制信號、端子 6 接反轉信號時(shí)，再設 p0701 為 1，端子 5 上高電平電機正轉，低電平停機。設 p0702 為 2，端子 6 上高電平電機反轉，低電平停機。后期根據學(xué)生的掌握情況，利用PLC 拓展為多段速控制。變頻器 MM420 主要參數設置如表 1 所示。
表 1 變頻器 MM420 主要參數設置表
注意事項：
①接線(xiàn)后一定要參考手冊，認真復查，以防接線(xiàn)錯誤而燒壞變頻器，尤其是主電源線(xiàn)路；
②在接線(xiàn)時(shí)，擰緊變頻器內部力不要過(guò)大，以防損壞端子；
③送電和停電過(guò)程中一定要注意安全，特別是停電過(guò)程中，一定要讓變頻器充分放電，LED 全部熄滅才能打開(kāi)蓋板，等待 5min 以上；
④在輸入變頻器參數時(shí)，一定要確認，以免發(fā)生錯誤；
⑤由于變頻器可以切換電機正反轉，所以必須注意使用的安全。在正/反轉切換時(shí)，根據電機功率和工作環(huán)境調整加減速時(shí)間。
更改 P1040 和 P1058、P1059 的值，可改變電動(dòng)機正常運行速度和正、反向點(diǎn)動(dòng)運行速度。另外，為了檢測主軸電動(dòng)機的轉速，可采用編碼器，其接線(xiàn)為圖 4 所示。
圖 4 旋轉編碼器與 PLC 的接線(xiàn)圖
PLC 通過(guò)高速計數器采集來(lái)自旋轉編碼器的信號，由程序計算主軸電動(dòng)機的轉速，從而實(shí)現對主軸電動(dòng)機轉速的精確控制。
4、 PLC 控制程序
①刀架正反轉控制梯形圖如圖 5。
圖5 刀架正反轉控制梯形圖
②當前刀號判定如圖 6。
圖 6 刀號判定梯形圖
③手動(dòng)選刀控制如圖 7。
圖 7 手動(dòng)選刀梯形圖
④主軸速度檢測。主軸速度檢測采用 ZSW610-01C-1200BZ/05L 型旋轉編碼器。利用PLC 的 X0、X1 端子，采集旋轉編碼器 A、B 兩相高速脈沖數，通過(guò)浮點(diǎn)計算，可以較為精確地計算出 FANUC 0I-TF 數控車(chē)床裝調系統主軸速度。
⑤觸摸屏控制。本系統改造裝置，選用昆侖通泰 MCGSTPC1061Ti 觸摸屏，方便學(xué)生操作，更加緊密聯(lián)系實(shí)踐應用，其畫(huà)面示意圖見(jiàn)圖 8。
圖 8 觸摸屏畫(huà)面示意圖
5、結束語(yǔ)
通過(guò)對實(shí)訓裝置的改造，將其內置 PLC 控制系統剝離，學(xué)生在實(shí)訓中能靈活控制刀架的運動(dòng)，改造后的裝置，功能多樣化，可以有效鍛煉學(xué)生電氣選型接線(xiàn)、PLC 編程思維等綜合能力，對于機電一體化及相關(guān)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，通過(guò)訓練，技術(shù)技能得到顯著(zhù)提升。