ＭＸ加工中心自動(dòng)回原位設(shè)計(jì)
2016-7-28 來(lái)源：安微理工大學(xué)研究生處 作者：陶高群
機(jī)床原位，即機(jī)床各軸及運(yùn)動(dòng)元件皆處在一個(gè)確定的相對(duì)安全位置。在生產(chǎn)過(guò)程中，ＭＸ加工中必沒(méi)有自動(dòng)回原位的功能。在自動(dòng)化生產(chǎn)線開(kāi)后后，一旦發(fā)生生產(chǎn)故障導(dǎo)致機(jī)床報(bào)巧急停，機(jī)工維修人員宿先進(jìn)入加工中也內(nèi)部對(duì)各個(gè)機(jī)構(gòu)相對(duì)位置進(jìn)行判斷，再對(duì)各機(jī)構(gòu)有序進(jìn)行手動(dòng)回原位的操作。因?yàn)橛^察和手動(dòng)回原位動(dòng)作由于工況條件的限制必須兩人或兩人以上協(xié)同進(jìn)行，這樣的工作狀態(tài)下不僅對(duì)手動(dòng)回原位的操作人員有較髙的技能要求，而且對(duì)加工中也內(nèi)部的機(jī)工維修人員的生命安全帶來(lái)隱患。巧時(shí)耗力不僅提商了設(shè)備維修成本，更重要的是降低了維修工作的效率。因此對(duì)ＭＸ加工中也在報(bào)警急停狀態(tài)下進(jìn)行各關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的自動(dòng)回原位設(shè)計(jì)，其現(xiàn)實(shí)作用非常大。
４.１ＭＸ加工中古原位的定義
在進(jìn)行回原位設(shè)計(jì)之前，先弄清楚ＭＸ加工中也的整體結(jié)構(gòu)和各個(gè)機(jī)構(gòu)動(dòng)作機(jī)理。按工作區(qū)域劃分可將ＭＸ加工中也分為換刀區(qū)域、交換工作臺(tái)區(qū)域和加工區(qū)域Ｈ大部分。下面對(duì)每個(gè)區(qū)域中所包含各機(jī)構(gòu)回原位定義進(jìn)行介紹。
４.１.１換刀區(qū)
換刀區(qū)域主要包括刀爪、主軸拉刀機(jī)構(gòu)等機(jī)構(gòu)，對(duì)每個(gè)機(jī)構(gòu)的原位狀態(tài)定義如下表 ４．１所示。
表 ４．１換刀區(qū)域原位定義
４.１.２交換工作臺(tái)區(qū)
為適應(yīng)缸體缸蓋生產(chǎn)線自動(dòng)化生產(chǎn)的需要，在交換工作臺(tái)區(qū)域包含兩個(gè)交換工作臺(tái)，當(dāng)生產(chǎn)線產(chǎn)量進(jìn)度要求不高時(shí)可只使用一個(gè)工作臺(tái)。交換工作臺(tái)區(qū)各機(jī)構(gòu)的原位狀態(tài)定義如下表４．２所示。
表 ４．２交換工作臺(tái)區(qū)域原位定義
４．１．３加工區(qū)
加工區(qū)域主要包括Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、繞Ｙ旋轉(zhuǎn)的軸、ＳＰ軸等。加工區(qū)各機(jī)構(gòu)的原位狀態(tài)定義如下表４．３所示。
表４．３加工區(qū)域原位定義
４．２回原位功能的設(shè)計(jì)
ＭＸ加工中也作為缸體自動(dòng)化生產(chǎn)線上較為關(guān)鍵一個(gè)工位，實(shí)際生產(chǎn)中各功能模塊間位置緊湊，同時(shí)各個(gè)機(jī)構(gòu)相對(duì)運(yùn)動(dòng)錯(cuò)綜復(fù)雜。在進(jìn)行回原位編程時(shí)，必須抓住主干，使原本看似復(fù)雜的機(jī)構(gòu)動(dòng)作順序看的層次分明、條理清晰。
４．２．１回原位功能實(shí)施的總體方案設(shè)計(jì)
作者査閱大量相關(guān)資料，參考?xì)v年技改的方案計(jì)劃，再結(jié)合ＭＸ加工中也本身所特有設(shè)計(jì)理念Ｗ及功能特性，將回原位功能程序設(shè)計(jì)分為Ｈ個(gè)部分，分別為換刀區(qū)回原位ＮＣ程序塊設(shè)計(jì)、交換工作臺(tái)區(qū)回原位ＮＣ程序塊設(shè)計(jì)、加工區(qū)域回原位ＮＣ程序塊設(shè)計(jì)。其中，刀庫(kù)口與上料口作為ＭＸ加工中也加工區(qū)域與其、他兩個(gè)區(qū)域相連接的關(guān)鍵部位，可將送兩部件的工作狀態(tài)作為整個(gè)加工中必自動(dòng)回原位程序的判斷旋轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)。這樣就可Ｗ將看似復(fù)雜的機(jī)構(gòu)動(dòng)作控制程序有序的整合成模塊式的程序結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)刀庫(kù)口與上料口開(kāi)關(guān)狀態(tài)的判斷便可根據(jù)需要調(diào)用相應(yīng)程序模塊，簡(jiǎn)化現(xiàn)有編程工作的同時(shí)也對(duì)Ｗ后的機(jī)床功能擴(kuò)展工作減少工作量。整體結(jié)構(gòu)流程圖設(shè)計(jì)如圖４．１所示。
圖４．１ＭＸ加工中心回原位整體控制流程圖
４．２．２ＮＣ與ＰＬＣ的通訊
加工中心各關(guān)鍵部位回原位功能得以實(shí)現(xiàn)，其中最關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)就是怎么高效快捷的完成ＮＣ與ＰＬＣ之間的通訊問(wèn)題［？１。ＮＣ控制作為實(shí)現(xiàn)機(jī)床各軸按一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)的控制元素。ＰＬＣ作為加工中屯、中一些輔助元素的控制介質(zhì)，例如加工中也中的動(dòng)作開(kāi)關(guān)、傳感器、冷卻液、鏈?zhǔn)降稁?kù)的轉(zhuǎn)動(dòng)、換刀裝置的控制等等，運(yùn)些都離不開(kāi)ＰＬＣ的控制。而這兩種控制作為加工中也關(guān)鍵的控制方式，既有分工也充滿聯(lián)系【ｗ。有時(shí)為實(shí)現(xiàn)某一個(gè)功能，會(huì)同時(shí)用到兩種控制方式。因此，在實(shí)現(xiàn)本章節(jié)任務(wù)的過(guò)程中，弄清楚ＮＣ與ＰＬＣ之間的通訊機(jī)理。對(duì)實(shí)現(xiàn)各關(guān)鍵部位更加高效快速的回原位具有積極的意義。
為了便于對(duì)機(jī)床功能進(jìn)行擴(kuò)展和調(diào)整，ＭＸ加工中也采用獨(dú)立式ＰＬＣ控制。具體情況如圖４．２所示。
圖４．２外裝式ＰＬＣ系統(tǒng)框圖
此外，ＭＸ加工中也的ＰＬＣ與ＮＣ之間的數(shù)據(jù)傳遞主要是由輸入輸出端口Ｗ及串行接口來(lái)負(fù)責(zé)。一般情況當(dāng)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求不高時(shí)，可通過(guò)串口通信，當(dāng)一些檢測(cè)、報(bào)警的數(shù)據(jù)則需要專口的Ｉ／Ｏ通道來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體情況如圖４．３所示。
圖４．３外裝式ＰＬＣ與ＮＣ通信結(jié)構(gòu)示意圖
對(duì)于ＭＸ加工中也外裝式ＰＬＣ中采用非主動(dòng)式的通信模塊與ＲＳ２３２串口進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式的通信，通信模塊必須接受到主計(jì)算機(jī)命令才能工作。
一般的通信情況可分為兩種：第一種為可編程控制器對(duì)數(shù)字控制的參數(shù)進(jìn)行讀取和修改；第二種為數(shù)字控制程序?qū)删幊炭刂破鲀?nèi)部的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和修改。在第一種狀態(tài)下，可利用西口子的ｔoolbox提供的ＦＢ２讀取功能模塊Ｗ及ＦＢ３寫(xiě)ＮＣ變量的功能模塊完成ＰＬＣ對(duì)ＮＣ的通信。當(dāng)進(jìn)行宏程序的編寫(xiě)，進(jìn)行安全監(jiān)控Ｗ及刀庫(kù)確定位置等功能時(shí)都會(huì)運(yùn)用到ＦＢ２／３這兩種功能模塊。
第二種通信狀態(tài)及ＮＣ對(duì)ＰＬＣ的通信時(shí)，西口子的toolbox提供了ＦＣ２１功能模塊。再結(jié)合具體ＮＣ系統(tǒng)變量就可Ｗ完成某項(xiàng)數(shù)據(jù)的通信。ＮＣ系統(tǒng)變量分為四種狀態(tài)：￥ＡＤＢＢ［ｎ］（８位字節(jié)），＄Ａ＿ＤＭＸ［ｎ］（１６位字），＄Ａ＿ＤＢＤ［ｎ］（３２位雙字），￥Ａ＿ＤＢＲ［ｎ（３２實(shí)數(shù)），其中ｎ為地址的偏移量。但對(duì)ＰＬＣ數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)訪問(wèn)時(shí)，巧Ｗ字節(jié)為最小工作單位，且ＦＣ２１功能模塊可被立即調(diào)用，數(shù)據(jù)傳送的速度非常快。ＦＣ２１是西口子８４０Ｄ系統(tǒng)己經(jīng)編好的一個(gè)功能，用于數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)訪問(wèn)，需要進(jìn)行通訊時(shí)只需直接調(diào)用即可。外裝式ＰＬＣ—個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是編程者可Ｗ自由地定義變量類型，使得編程更加多元化，方便工程人員操作。另外，一次通訊可包含１０２４字節(jié)的數(shù)據(jù)量。在本設(shè)計(jì)中，換刀手及交換工作臺(tái)程序部分都涉及到了ＦＣ２１的調(diào)用[47]。
為便于數(shù)據(jù)的信息的交換，在ＰＬＣ與ＮＣ之間ＳＩＮＵＭＥＲＩＫ數(shù)控系統(tǒng)提供ＤＰＦ公共存儲(chǔ)區(qū)，大小為４０％字節(jié)。ＰＬＣ定義的接口地址與ＮＣ定義的系統(tǒng)變量都統(tǒng)一和公共存儲(chǔ)區(qū)一一對(duì)應(yīng)通過(guò)地址一一對(duì)應(yīng)方式就能實(shí)現(xiàn)ＮＣ與ＰＬＣ之間數(shù)據(jù)的同步［４０-４１］。Ｗ本次編程中所需部分對(duì)應(yīng)地址信息為例，查閱相關(guān)資料明確ＰＬＣ定義的接口地址所對(duì)應(yīng)ＮＣ系統(tǒng)變量，如表４．４所示。
表４．４胞系統(tǒng)變量與ＰＬＣ信號(hào)對(duì)照表
４．３回原位ＮＣ程序設(shè)計(jì)
４．３．１換刀區(qū)回原位ＮＣ程序設(shè)計(jì)
根據(jù)換刀區(qū)域各機(jī)構(gòu)相關(guān)動(dòng)作順序分析，結(jié)合各順序動(dòng)作的特點(diǎn)，確定了四個(gè)能執(zhí)行換刀臂回原點(diǎn)功能的位置節(jié)點(diǎn)。要想確定換刀區(qū)所處于哪個(gè)位置節(jié)點(diǎn)，必須對(duì)換刀區(qū)域中Ｑ軸位置、換刀手處處于新刀位還是舊刀位、刀爪是否處于夾緊狀態(tài)。通過(guò)這Ｈ個(gè)問(wèn)題的考量，就能很明確換刀區(qū)域所處的工作狀態(tài)，再根據(jù)不同的工作狀態(tài)明確巧用哪種回原位ＮＣ程序。換刀過(guò)程流程圖如圖４．４所示。
通過(guò)研巧換刀區(qū)程序流程圖，再結(jié)合相應(yīng)信號(hào)所對(duì)應(yīng)的ＮＣ系統(tǒng)變量，對(duì)換刀區(qū)各運(yùn)動(dòng)部件的位置節(jié)點(diǎn)判斷程序和各位置節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的換刀區(qū)回原位程序進(jìn)行編制，具體內(nèi)容如下：
判斷換刀機(jī)構(gòu)的物理位置，跳轉(zhuǎn)到相關(guān)插入點(diǎn)程序：
４．３．２交換工作臺(tái)回原位ＮＣ程序設(shè)計(jì)
與換刀區(qū)程序設(shè)計(jì)構(gòu)思相同，交換工作臺(tái)區(qū)域回原位程序的調(diào)用，也是通過(guò)判斷上料口＾＾Ｊｌ及工作臺(tái)的狀態(tài)來(lái)判斷他們的狀態(tài)位畳然后分別調(diào)用相關(guān)程序的。交換工作臺(tái)回原位程序設(shè)計(jì)流程如圖４．５所示。
圖４．５交換工作臺(tái)回原位程序設(shè)計(jì)流程圖
由交換工作臺(tái)回原位程序設(shè)計(jì)流程圖可知，＾＾Ｊｌ上通過(guò)判斷上料口是否關(guān)閑、ＰＷｌ是否在原位、ＰＷ２是否在原位可確定兩個(gè)工作臺(tái)分別所處狀態(tài)，１＾＾便調(diào)用相關(guān)糧序回原位。同時(shí)通過(guò)査閱相關(guān)資料得到：上料ｎ的狀態(tài)所對(duì)應(yīng)系統(tǒng)變量為＂＄Ａ＿ＤＢＢ［４（Ｈ］Ｂ＿ＡＮＤ１＂；判斷工作臺(tái)是否處于上、下料過(guò)程的程序語(yǔ)句為＂ＩＦ＄Ａ＿ＤＭＸ［４２２］〇０＂；明確所需回原點(diǎn)的工作臺(tái)程序語(yǔ)句為＂ＩＦ＄Ａ＿ＤＭＸ［４２０］＝＝？＂。再結(jié)合交換工作臺(tái)回原位程序設(shè)計(jì)流程圖，編寫(xiě)交換工作臺(tái)回原位ＮＣ程序如下：
４．３．３加工區(qū)域回原位ＮＣ程序設(shè)計(jì)
與換刀工作區(qū)域和交換臺(tái)工作區(qū)域相比，加工區(qū)域的回原位程序設(shè)計(jì)就沒(méi)有那么復(fù)雜，回原位流程的判斷也很簡(jiǎn)單，只需要將加工區(qū)域內(nèi)的各軸退回安全位置即可。在加工區(qū)域中的軸主要包括有Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｂ及主軸，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)要求需先將Ｚ軸回原位，然后分別為Ｘ、Ｙ、Ｂ回原位，最后主軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)。其中有種特殊情況是當(dāng)Ｚ軸出現(xiàn)位置超前報(bào)普提示時(shí)，需要先手動(dòng)將Ｚ軸退進(jìn)，然后再進(jìn)行Ｚ軸的回原點(diǎn)程序運(yùn)行。加工區(qū)域回原位ＮＣ程序如下；
４．４本章小結(jié)
通過(guò)對(duì)ＭＸ加工中也的整體結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)工作原理進(jìn)行分析，確定編程的總體方案，并對(duì)ＮＣ與ＰＬＣ的通信方式進(jìn)行分析，保證了加工中也在停車維修的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)回原位的功能，使得ＮＣ回原位程序相比較而言更加模塊化、高效化。保障機(jī)內(nèi)維修人員生命安全的同時(shí)，降低維修成本，提高維修工作的效率。
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