数控车床刀架PLC程序的组织和调试方法_周中吉.pdf

2023 NO.2 工 业 与 技 术SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION数控车床刀架PLC程序的组织和调试方法周中吉(上海振华重工(集团)股份有限公司 上海 200125)摘要：刀架在数控车床中属于最为基础的部分，同时在整个车床配件中占有重要位置。数控车床中使用最为广泛的刀架形态即电动式刀架，其由电动刀架和卧式电动刀架2种类型共同构成。在使用过程中，电动换刀架的选择与置换操作正确与否关系到整个车床使用过程中效率提升效果好坏。正确的操作模式可有效减少时间浪费，降低操作误差，提升数控车床对复杂零件的加工精度。论文以六工位的立式电动刀架的PLC程序为例，探讨了该程序的组织和调试方法。关键词：数控车床 电动刀架 PLC控制 调试 方法中图分类号：TG519.1文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2023)02-0026-04Organization and Debugging Method of PLC Program for CNC Lathe Tool RestZHOU Zhongji(Shanghai Zhenhua Port Machinery Co.,Ltd.,Shanghai,200125 China)Abstract:Tool rest belongs to the most basic part of CNC lathe,and occupies an important position in the whole lathe accessories.The most widely used tool rest in CNC lathe is electric tool rest,which is composed of two types:electric tool rest and horizontal electric tool rest.In the use process,the correct selection and replacement operation of the electric tool changer is related to the efficiency improvement effect of the whole lathe use process.The correct operation mode can effectively reduce the waste of time,reduce the operation error,and improve the machining accuracy of the CNC lathe for complex parts.Taking the PLC program of six station vertical electric tool rest as an example,this paper discusses the organization and debugging methods of the program.Key Words:CNC lathe;Electric tool rest;PLC control;Debugging;Methods对于数控车床来说，其刀架作为中心组件之一，发挥着关键作用，当下，立式和卧式两种电动刀架在数控车床刀架中运用比较广泛。在此之中，四工位和六工位两种立式刀架模式被运用于简便数控车床中；八工位、十工位、十二工位等卧式刀架基本用于全功能复杂型数控车床之中，其具备正向和反向旋转的功能。电动刀架属于数控车床核心结构之一，若是能够确保正确使用电动换刀架，便能够有效提升生产效率、提升加工精度，能够更好地应用至复杂零构件加工之中。1 自动换刀机构1.1 自动换刀装置零件加工成功完成需经过多种工序叠加，尤其是单功能机床会将很多时间浪费在更换刀具、装卸零件等操作上，这样一来，可用于切削加工的时间就会大大缩减。基于此，为高效利用切削时间，可在数控机床加工零件过程中融入自动换刀装置。目前，包含自动换刀装置的数控机床发展较为迅速。其与精密数控转台相配合使用，可有效提升机器的加工速度。自动换刀装置拥有储备刀具的功能，同时能在加工时间的限制DOI：10.16661/ki.1672-3791.2207-5042-9490作者简介：周中吉（1984），男，本科，工程师，从事起重机电气调试、施工工作。26工 业 与 技 术 2023 NO.2 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATIONSCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯科技资讯之内尽快实现更换刀具的目标。同时，自动换刀装置还自带重复定位系统，能有效增强加工精度，此外还具有存储刀具数量多、结构较为紧促、应用安全的优势。依据数控机床的不同类型、工艺范围不同、刀具种类和纯储高量等不同，相应的也要选择差异化的自动换刀装置。1.2 用于数控车床的回转刀架回转刀具作为自动换刀装置的类别之一，具备相对简易的操作特性，以刀架数量为出发点，又可分为四方刀架（在回转刀架上安装4把刀具）和六角刀架（在回转刀架上安装6把刀具）1-2，也可根据施工需要安装多把刀具。操作人员可根据数控装置的指令自动实现更换刀具的目标。回转刀架的强度与刚度需满足设计需求，这样才能在粗加工中承担更大的切削抗力。刀尖的位置决定了车削加工的精度，安装自动换刀装置的数控车床一旦开始加工，不能中途人工调整刀具的位置，所以，为使回转刀架转位后有更加准确的重复定位并且实现0.001 0.005 mm的精度误差限制，需创建科学的定位方案和完整的定位结构。2 PLC控制车床刀架2.1 电动刀架及其工作原理根据图1所示内容，电动刀架的动作切换控制主要由继电器KA1、KA2管控，可以做到电机的正反转切换。当刀架旋转时，每一工位中的霍尔元件会有序转换为有效状态，系统则可迅速把握T1、T2、T3及T4的状态和变化，从而选择和评判出刀具、刀号是否与所需相符，如果符合，电机则呈现出反向旋转、锁紧刀具的状态。系统的顺利运行取决于电动刀架各时序的切换状况和间隔状况，同时运动刀架生产厂家所推荐的指标是否合理一定程度上影响着反向锁紧的所需时间，太长则会出现电机升温乃至烧损的后果。因此，应在交流380 V进线位置科学设置快速熔断器、热继电器等，以保障电动刀架的安全运行。2.2 刀架的选用因定位准确且速度快，电动刀架在数控车床刀架中应用更为广泛。手动、液压驱动是传统车床刀架的主要形式。可选用电动刀架，以提升数控车床的操作准确性，根据藏刀数量的差异性，可将刀架类型分为卧式转塔刀架和立式电动刀架。前者一般装有8 12把刀，后者多为四工位或六工位。2.3 电动刀架的电机控制刀架种类多样，有简易刀架也有自动刀架。霍尔元件是简易刀架评判刀位时的主要工具；自动刀架则包含位置编码和双向换刀等功能，其中一些也具备电动刀具。既可通过用普通异步电动机控制刀架旋转，也可应用伺服电机。车床所需的刀架均可在刀架的生产厂家中购买。不同的厂家，刀架生产方式不同，自然也包含不同的控制方法，即使相同厂家所生产的刀架也可能受型号不同的限制，采用不同的控制方法和控制时序。总体来说，三相异步电动机往往被用于驱动电动刀架。若想呈现出刀架正或反转的效果，可将直流继电器与交流接触器进行融合，并与三相交流电源进行匹配。2.4 刀架刀位信号监控在机床的使用过程中，可能会出现刀位检测信号出现故障的情况，一旦出现此种情况，换刀过程难以顺利实现，也会出现PLC应用程序搜索不到目标刀具的状况。一般情况下，刀架中进入冷却液时会损坏霍尔元件或造成单位信号线断掉。通过观察刀架的时序图发现：检测信号不会出现全“0”或者全“1”的状态。刀架电机并未开始转动，但检测信号却呈现出“0”或者“1”的状况，此时很可能是刀架硬件产生故障，这时要利用报警信号灯及时向工作人员传输故障信号，并对其进行立即检修，找出故障位置。2.5 换刀时间监控对启动换刀和查找到目标刀具的流程来说，设置时间监控是十分重要的1。若出现信号故障或编程错误都会使自动换刀装置无法找到目标刀位，也就无法完成自动换刀的操作，因而对PLC应用程序进行换刀时间监控，可有效避免上述情况的出现。2.5.1 时序分析PLC应用程序会迅速察觉到数控系统信号接口发出的换刀指令，并对当前刀具的存在位置进行监控和评判，标出目标刀位方向，将电机启动后，刀架遵循就图1 电气原理图27 2023 NO.2科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION 工 业 与 技 术SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯近原则，向着目标方向旋转。处于旋转状态时，可通过PLC应用程序接收编码器所发出的到位信号和选通信号，精准评判出目标刀位的存在位置。若实际刀位与目标位相一致且选通信号出现了下降沿，预定位电磁铁被PLC应用程序所控制而开始工作。同时，预定位传感器的下降沿还需进一步监控，当出现下降沿时，要及时采取措施：控制电机方向，旋转，将刀架锁紧2。倘若锁紧程序被启动时，PLC应用程序则要深度获取到目前刀位和选通信号的上升沿。目前刀位和目标刀位重合一致，并监测到选通信号出现了上升沿，需对预定位进行控制，关闭电磁铁，关停刀架电机，换刀程序完成。换刀时有两个重要时间：d1=30 ms，d2=60 ms，整个换刀过程是否顺利与这两个时间息息相关。若预定位电磁铁不能吸合或刀架电机反向时间与设定值不相符时，刀架可能会出现锁不紧的情况。PLC扫描时间、继电器滞后时间会影响d1、d2。因此，PLC应用程序需设定更短的扫描周期，一般情况可设置数控系统的配置参数来达到上述目标。实践表明，将PLC扫描时间设定在12 ms左右，能较好地满足控制时序要求。2.5.2 按就近找刀原则明确换刀方向判断刀架的旋转方向属于PLC应用程序的重要任务3。换刀指令通过信号接口发出后，PLC应用程序确定就近找到方向时要参照实际刀位。应以就近找刀原则为基础确定换刀方向。3 数控车床自动换刀PLC控制数控车床电动刀架所包含刀具的功能具有多样性。为顺利实现换刀操作，应以旋转分度为基础展开定位。以电动刀架BWD40-1为例，其属于六工位刀架，传动工具为蜗杆蜗轮。刀架电动机正转则可完成刀架松开分度，电动机反转则可实现锁紧定位。而电动机的正转和反转则由接触器KM6、KM7掌控。同时刀架的松开和缩紧状况则可由微动行程开关SQ1监控。刀架电动机所包含的角度编码器可进一步对刀架分度进行监察。图2为展现出具体的控制电路图。3.1 电气设计要求（1）换刀指令下发至机床后，刀架电动机则呈现正向运转的状态，运行松开分度的任务。注意检测转位时间，将其设成10 s。当分度时间超过特定数值时，系统将以温度故障报警信号的方式来进行提醒。（2）顺利实现刀架分度后，电动机呈现出反转运行的态势，可以缩紧状态对目标换刀方向进行监控。同时应在0.7 s限制内完成电动机反转控制，避免电机发热情况的出现。（3）电动机呈现正向或反向运转状况时，应对正向运转停止和反向运转开始的延时时间展开掌控。（4）自动换刀指令下发后，刀架对刀位进行锁紧，同时监测其信号4。顺利查找到锁紧到位的信号后便可实行换刀操作。（5）自动换刀过程中要对电机进行保护，一旦出现过载、短路、温度过高等意外情况，及时发出报警信号。在自动换刀时，若程序T码指令产生故障T=0或T7时则以报警信号的方式来进行提示。3.2 电动刀架PLC控制根据图2内容，角度编码器查找到的实际刀号所包含的信号地址分别为X2.1、X2.2、X2.32。X2.6展现的是任一转达选通输入信号就接通的地址。在地址D302借助NUME指令（常数指令）写入当前刀架的实际位置，再将其进行判别。当前刀号的位置与PLC应用程序选择的换刀位置通过判别指令进行判断，若数值相同说明换刀位置与当前位置一致；倘若数值存在差异，则要进行分度控制。可