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基於1PG 定位模（mó）塊的刀（dāo）庫控（kòng）製技術

2013-3-27 來源：作者：湖南工程學院機械工程係黃菊生, 劉玉鬆

1PG 是（shì）三菱（líng）公司FX 係列（liè）PLC 的單軸定位模塊, 常稱為（wéi）脈衝發生單元PGU ( pulse g eneration unit) 。PLC 通過1PG 向伺服或步進電機驅動器提供指定數量的（de）脈（mò）衝, 可以完成一個獨立軸（zhóu）的定位控（kòng）製, 脈衝輸出最大可達100 kp/ s。刀庫是加工（gōng）中心的主要部件, 其結（jié）構有盤式、鏈式和（hé）格子式等種類, 因盤式刀庫結構緊湊、簡單, 不需（xū）機械手, 一般用於小型加工中心及高校（xiào）機電一體（tǐ）化技術實踐教學中。單軸定位模塊1PG 用於無機械手圓盤（pán）形刀庫的換刀控製, 采用在刀庫與主軸之間直接換（huàn）刀, 其換刀簡（jiǎn）單、定（dìng）位準確。本文以臥式微加（jiā）工中心為例討論1PG 在刀（dāo）庫中（zhōng）的控（kòng）製技術[ 1, 2] 。

1 係統硬件接口

在臥式微加工中心中, 主軸水平進給, 加工工（gōng）件的垂直麵, 圓盤式刀庫的旋轉軸與主軸平行, 刀庫中垂直主軸的圓盤上均勻地分（fèn）布著8 把（bǎ）刀, 通過刀庫的移動直接將加工刀具送到主軸上換刀。係統中X 軸和Z 軸由PLC 通過20 GM 控（kòng）製步進電機實現兩軸聯動, Y 軸直接由PLC 控（kòng）製, 拖動主軸前後移動進給完成深度加工, 刀庫由（yóu）PLC 通（tōng）過1PG 控製步（bù）進電機, 驅動刀庫圓（yuán）盤旋轉（zhuǎn）實現選（xuǎn）刀。刀庫控製部分的硬件接口如圖1 所示。

VIN 為1PG 脈（mò）衝輸出的電（diàn）源端, 接（jiē）+ 5 V; FP 為脈（mò）衝輸（shū）出端（duān）, 接步進電機驅（qū）動器的步進（jìn）脈衝輸入端CP; RP 為脈衝方向輸出（chū）端, 接步進電機驅（qū）動器的方向電平輸（shū）入端DIR; COM0 為脈衝輸出的公共（gòng）端, 接5 V 地; VIN, FP, RP, COM0 構成1PG 的輸出口, 控製（zhì）步進電機驅動器及步進電機運動。DOG 為機器原位信號輸入端, 接（jiē）刀庫原位接近（jìn）開關（guān）傳感器, 作為（wéi）刀庫回原（yuán）位的控製信號; S/ S 為24 V 電源端（duān）, 接24 V 地, 用於DOG 輸入。刀庫移動及（jí）鬆刀用到（dào）了3 個接近開關, 它們是主軸鬆刀傳感器接PLC 的X40、刀庫（kù）前進到位接X41、刀庫（kù）後退到位接X42。刀庫移動和鬆刀都是用液壓驅動完成的, 因此換刀控製必須要先啟動油泵（bèng）電（diàn）機。PLC 的Y35, Y36, Y37 分別用於油泵的啟/ 停、主軸（zhóu）鬆（sōng）刀/ 夾緊、刀庫前進/ 後（hòu）退的控製。JOG+ 、JOG- 接X43, X44, 為刀庫旋轉的點（diǎn）動控（kòng）製按鈕, JOG+ 控製刀庫步進電機（jī）正轉, JOG- 控製反轉。回原位接X45, 作刀庫點動回原位（wèi）按鈕。

2 刀庫控製

2. 1 參數（shù）設置

1PG 內部設置有32 個緩衝存儲器( BFM) ,用來存放參數設置值、狀（zhuàng）態信息和命令字, PLC對1PG 的（de）控製, 實際上是通過FROM/ T O 指令操作（zuò）1PG 的這些緩衝存（cún）儲器來實現的（de）。1PG 的每一個緩衝存儲器為16 位長數據（jù）, 而32 位數據則由連（lián）續的2 個BFM 組成, 如（rú）設置最高速度用DT O 指令寫32 位數據給2 個（gè）緩衝存儲器BFM# 5 和# 4。1PG 的（de）初（chū）始化設置（zhì）如（rú）下:

其中BFM # 3 為係統參數設置, 其（qí）它BFM為速度和定位數據的設置（zhì）。當設置單位係統為電機係統時, BFM # 0、# 1 和# 2 不需要設置。本（běn）係統參數設置為2500H, 其含義如表（biǎo）1 所示。主要是設置單位係統為以脈衝為單位的電機係（xì）統; 脈衝輸（shū）出格（gé）式為帶（dài）方向( DIR) 的脈衝輸出, FP 為脈衝輸出端, RP 為方向信號輸出端, 控製步進電機一般采用此種脈衝輸出方式; DOG 輸（shū）入極性（xìng）為當工件接近原位（wèi）時, DOG 接近開關ON, 圓盤式（shì）刀庫旋轉隻設（shè）置（zhì）一個傳感器, 作原位DOG 輸入,采用常開型對應該設置[ 3, 4] 。

2. 2 點動和（hé）回原位（wèi）控製

PLC 控製刀庫點動、回原位程序, 以及1PG 的狀態信息、控製（zhì）命令（lìng）的讀寫程序如圖2 所示。其中M176 為選擇操作（zuò）刀庫, M140 為點動操作, M144為（wéi）自動換刀, 構成點動、自動操作刀庫的條件。

刀庫點動操作有點動回原位（wèi）、點動正轉、點動反轉（zhuǎn）, 可（kě）以用於刀庫的定位調試。係統設計按下X43, X44, X45 按鈕, 使對應的M124, M125, M126 得電, 分別驅動刀庫正向點動( JOG+ ) 、反向（xiàng）點動( JOG- ) 、回原位。而M127 則始終為0,表示刀庫旋轉采用絕對位置。M124, M125, M126, M127 命令信號通過（guò）M8000 驅動/ T O K0K25 K4M120 K10指（zhǐ）令, 實時寫入1PG 的命令緩衝存儲器BFM# 25 的（de）b4, b5, b6, b7 位, 如表2所示（shì）。實際上該指令是將PLC 中（zhōng）的M120 ~M135 共（gòng）16 點數據全部實時地寫入BFM# 25, 因此PLC 的任何命令信息都能及時發送到1PG中, 控製刀庫步進電機運動（dòng）。

BFM# 25 的b8~ b12 為各種（zhǒng）操作模式, 隻能選擇其中之一, 同時選兩種以上無效, 本刀庫控製（zhì）采用單速定位模式b8。選好刀具後（hòu）, 程序（xù）驅動M128 得電, 則b8= 1 啟動單速定位操（cāo）作, 驅動刀庫步進電機運動, 按設置的脈衝數旋轉到位後停下（xià）, 這個過程就是刀庫定位。M300 為自動換刀時, 驅動刀庫回（huí）原位用的。

程序中通過M8000 驅動, 用FROM 指令（lìng）實時將1PG 中的狀態信息( BFM# 28) 讀到PLC 的M80~ M95, 以獲得（dé）刀庫原位（wèi）返（fǎn）回結束（shù）、單速定位結束標誌, 其內容如（rú）表3 所示。刀（dāo）庫控製中用（yòng）到了兩個標誌位b2 和b8。b2= 1 表示（shì）原位返回結束, b8= 1 表示定位結束, 分別使M82, M88 接（jiē）通（tōng）, 然後PLC 順序控製程（chéng）序用M82, M88 去驅動係統轉入下一（yī）步操作。

2. 3 刀庫定位控製

換刀是一個準確定位的過程, 為了實現高精度定位, 係統采用了細分驅動及蝸輪蝸杆減速傳（chuán）動。刀庫步進電機步距角1. 8b, 細分驅動器設置為（wéi）64 細分, 蝸輪蝸杆傳動減（jiǎn）速比為（wéi）1 B 38, 則脈（mò）衝當量為（wéi）( 0. 74 @ 10- 3 )b( 1. 8b/ ( 64 @ 38) ) 。刀庫圓盤上均勻（yún）分布著8 把刀, 按絕對位置計算, 可得到（dào）各刀具距離原位的旋轉脈衝數, 如表4 所示。

換刀時, 首先（xiān）將（jiāng）刀具的位置脈衝數通過DMOV( 如DMOV, K121621, D212, 選3 號刀) 指令傳送給（gěi）D212, 然後用DT O 指令將D212 的數據傳送給1PG 的位置存儲器BFM # 17 和# 18,並程序驅動M128 為（wéi）ON, 啟動單速定位操作。刀庫（kù）定位結束會置標誌位BFM# 28 的b8 為1,使（shǐ）M88 為ON, 順控程（chéng）序用M88 驅動進行下一步操作。指令如下:

3 自動換刀程序

換（huàn）刀過程（chéng）就是把已用刀具取下放到刀庫上（shàng）, 換上新刀具繼續加工。自動換刀過（guò）程涉及到一係列的順序控製, 包（bāo）括Y 軸回原位與刀（dāo）庫回原位、Y 軸後退、刀庫前（qián）進、主軸鬆刀（dāo）、Y 軸後（hòu）退( 取下已用刀具（jù）) 、刀庫旋轉、Y 軸前進、主軸夾刀（dāo）、刀庫後退( 換（huàn）上新刀具) 、Y 軸前進( 準備加工) , 如圖（tú）4 所示。其中（zhōng）Y 軸的前進與後退控製, 各次的前進/ 後退參（cān）數中, 隻有脈衝數不同, 脈（mò）衝速率及對脈衝計數器清（qīng）0 都相同, 為DMOV, K5000, D102, DMOVP, K0, D8142。因此, 在順控程序（xù）中後麵隻列出脈衝數（shù）, 不再列脈衝速（sù）率及對脈衝計數（shù）器清0 項。