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【摘 要】自动换刀装置是数控机床的关键部件。本文阐述了自动换刀装置的主要构成，并对机械手的手部、手臂、基座及辅助设备进行设计，机械手应力分析结果表明该设计能够满足要求；基于PLC技术，从控制方案选择、硬件选型和软件设计等方面设计并实现了换刀装置机械手的自动控制，验证结果显示该控制系统能满足需求。
【关键词】数控机床 自动换刀装置 机械手 PLC 控制系统
Research on Design and PLC Control System of Manipulator of Automatic Tool Changer in CNC Machine Tool
Chang Jiayu
（Gansu nonferrous metallurgy Career Technical College， Jinchang Gansu 737100）
【Abstract】Automatic tool changer is a key part of NC machine tools. In this paper， the main structure of the automatic tool changer is described， and the design of the manipulator， arm， base and auxiliary equipment is designed. The design can meet the requirements. The PLC technology is designed and realized. The results show that the control system can meet the needs of the control system.
【Key words】numerical control machine tool automatic tool change device manipulator PLC control system
数控机床是由机械设备与数控系统构成，用于机械加工的高效率、自动化机床，数控技术的应用大大提高了劳动效率，改进了产品质量。然而，不少数控机床使用传统的手工换刀方式，使得生产过程中更换刀具效率较低、精度也较低。由于自动换刀装置是机床的关键部件，其工作效率和可靠性决定了数控机床的整体水平[1]。随着计算机和控制技术的快速发展，换刀装置朝着自动化和智能化方向发展。
本文分析了某数控机床自动换刀装置的主要构成，对机械手等关键部件进行了设计，并实现了PLC控制。
1 自动换刀装置的主要构成
自动换刀装置主要由刀库、机械手及驱动装置等组成。刀库可分为圆盘式、转塔式和链式，其作用为存放刀头；机械手是刀库和转轴之间的运送部件，是自动换刀装置的关键部件；驱动装置通常分为液压式和凸轮联动两种方式[2]。如图所示，本课题所研究的是某双凸轮换刀装置。
换刀的步骤是：当某个工序进行完后，下道工序需要其他的刀具，此时换刀装置会将已用过的刀具卸下，存放至刀库，并将下道工序要用的刀具装入主轴，之后机械手回到零点，以此循环。整个过程可以通过PLC控制电机转动来实现刀库的角位移运动，利用电磁阀来控制驱动气缸的升降与伸缩，并以此控制机械手的运动。
2 机械手结构设计
机械手是换刀装置中的关键部件，其性能决定了整个换刀装置的性能[3]，由手部和传动机构组成，对其各个关键零部件进行了设计。
2.1 关键零部件设计
手部是用来与所有抓取的物件接触，根据被抓取物件的形状，可以分为夹持式和吸附式两种。因为刀柄通常为圆柱形，采用夹持式手部更为适合，故设计为夹持式手部。手爪的半弧直径与刀柄直径要一致，并设置有弹性挡块，当手爪抓刀时，挡块遇刀具后弹回，而卡住刀具后自动闭合，从而防止换刀装置在抓取过程中滑落。手部主要的性能参数为：手指动作时间0.02s，夹持力矩0.40Nm>M，手指两侧开闭角度﹣10°～ 30°，重复定位精度±0.01mm。
手臂是支撑手部、手腕及被抓物件的部位。其设计要求是：一是重量要轻，运动灵活，减少运动冲击；二是要有足够的强度，能够保证其支撑力足够大[4]。根据对手臂性能的要求，选用SMC型CQ2系列薄型气缸，其具有质量小，缸筒与无杆侧端盖压铸成一体，强度和刚度较大、体积小、安装方便等特点，能够满足手臂的要求。基座是机械手的支撑部分，要求强度高，便于安装，占地面积小。本研究的基座选用落地固定式结构，结构简单、性能实用，可以节约占地面积。
2.2 辅助装置的设计
在换刀装置运行过程中，气体流动和机械振动均会产生噪音，需要安装专门的消音器。常见的消音器有阻性消音器和抗性消音器两种。阻性消音器是利用多孔吸声材料来吸收声波，从而降低噪音，适合于中高频噪音；抗性消音器是由突变界面的管和室组合而成，每一个网孔都有固定的声频，从而滤除某些频率成分的噪声，适合于低频噪音。因换刀装置处在低频运行，所以选用抗性消音器。
空压机是压缩气体装置，选型时要注意吸入流量和输出压力两个重要参数，选用TYW-2型静音空压机。为了降低空压机中气体的回流量，在输气管路中加入6L的储气罐。气源处分别安装有水分过滤器、膨胀阀和油分分离器，用以过滤空气。
2.3 机械手的应力分析
机械手的强度和刚度关系到换刀过程能否顺利完成，对机械手进行静态强度和刚度分析，找出变形较大和应力集中的部位，看其是否满足运行需求，是验证设计合理性的一个重要方法[5]。
机械手处于垂直位置时，其处于极限工作状况，此时其受到的载荷有：手部自重、刀具及刀柄自重，共计9.8kg，其载荷主要集中在手爪圆弧的1/4处，面积为S=π×0.052=7.875×10-3m2，那么其受到的应力为12196Pa。而手爪所用材料为45#钢，其屈服强度为320MPa，许用应力为280MPa。 由上可知，机械手手爪在极限情况下所受到的应力在材料允许的承受范围，符合设计要求。
3 控制系统的设计与实现
3.1 控制方案的选择
目前，对于数控机床换刀装置的机械手，主要控制方式有：继电器、单片机和PLC等。各种方式有各自的优劣势，针对该设备的换刀装置，选择一套合理的控制方案对控制系统的设计非常重要。
继电器是通过将装置的各电器件机械触点进行串联或者并联，组成逻辑控制，从而实现对不同部件的控制。因为采用影线连接，且通过机械触点的吸合动作来完成控制操作，其具有工作效率较低、连接线路复杂、触点开闭时易产生电弧、工作寿命短、可扩展性较差等劣势，已经逐步被弃用。
单片机通过设置特定程序来控制换刀装置的各个零部件，具有技术成熟，成本低等优点。但是自动换刀系统结构较复杂，单片机设计既包括系统配置电路部分又有扩展电路部分，设计工作量偏大；并且单片机的抗干扰能力较差，维护维修相对麻烦。自动换刀装置是数控机床的关键部位，单片机方案尽管成本较低，但综合来看并不适用。
PLC通过可编程控制器运算后，控制电机驱动刀库做旋转运动，再由接近开关将信号反馈至PLC，通过逻辑运算控制刀库精确停止，从而完成换刀动作。PLC不仅具有逻辑控制、运算处理、通讯联网等功能，还具有可扩展性能好、抗干扰能力强等特点[6]。因此，本装置选用PLC进行控制。
3.2 硬件的选型
从机械手的工作状况来看，所用的PLC的输入端点和输出端点数应≥10个，西门子S7-300系列中6ES7 313-6CF03-0AB0型号，其具有CPU313C-2DP，64K内存，16DI/16DO，可以接受旋转编码器信号，能够控制步进电机运行，有高速计数器、数据输入/输出、通信和位置控制等模块，可实现模拟量控制、位置控制和联网功能，能够满足本系统的需求，故选用该型号PLC。通过对控制系统的整体分析，按照上表所示对数字量输入和输出端口进行分配。
步进电机在数控系统中应用十分广泛，随着全数字式交流伺服系统的发展，交流伺服电机应用也成为新的趋势。普通的步进电机在低速运转时，容易出现低频振动的现象，而交流伺服电机因其内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，能起到共振抑制功能，使得电机在低速运转时不会出现振动现象。同时，交流伺服电机还具有加速性能好、过载能力强的优势。故选用交流伺服电机，其输出转角与输入脉冲个数严格成正比关系，能方便地实现正、反转控制及调速和定位。
3.3 软件设计
控制系统设计有两种工作模式：手动模式和自动模式。手动模式时，操作者通过自己使用机械手完成换刀动作；自动模式下，通过传感器采集机械手的运行参数，由PLC完成运算后给出相应的动作，再自动完成换刀动作。采用模块化的设计思想，对PLC的主程序，和初始化、手动、自动、中断等子程序进行设计。主程序中对每个中间继电器触点的定义，初始化子程序中步进电机的驱动程序和各端口的初始化，是本程序设计的难点。采用SIMATIC SETP7软件进行编程，控制系统与PC机连接采用PC-PPI专用通讯电缆。
3.4 测试结果
按照以上方案构建了自动换刀装置机械手的控制系统，对其物理样机的控制性能进行测试。测试结果表明：该控制系统控制精度较高、系统整体反应灵敏、设备运行平稳、抗冲击性能较强，能够满足自动换刀装置对机械手的控制要求。
结语
自动换刀装置是数控机床的关键部件，阐述了其主要构成。对机械手进行了分析与设计，采用夹持式手部，手臂选用SMC型CQ2系列薄型气缸，基座选用落地固定式结构，辅助设备选用抗性消音器、TYW-2型静音空压机、气路中加装6L储气罐、气源处装有水分过滤器、膨胀阀和油分分离器过滤空气，极限情况下机械手的应力分析表明该设计能够满足要求。PLC控制正逐步取代传统的继电器控制，采用S7-300系列PLC，对该机械手的控制系统的硬件与软件进行了设计与实现，测试结果显示该控制系统具有精度高、反应快、可靠性强等特点，能够满足要求。
参考文献
[1]曾祥苹.数控机床自动换刀机构动力特性分析[J].机械工程与自动化，2013，（4）：204-205+208.
[2]李雅昔，李星恕，李晓莉等.数控车床加工椭圆类非圆曲线宏程序应用[J].河南科学，2015，33（2）：204-208.
[3]李加明，陶卫军，冯虎田.自动换刀装置发展现状及其关键技术[J].机床与液压，2013，41（5）：174-176.
[4]李隽，鲍秋辉，鹿晓莹等.数控加工中心自动换刀系统及控制实现[J].电气制造，2010，（12）：70-73.
[5]许可诚，顾寄南，王富良.换刀机械手控制系统的设计与研究[J].机械设计与制造2011，（8）：158-160.
[6]王玲.基于PLC的数控机床电气控制系统研究[J].新技术新工艺，2013，（12）：125-127.
【关键词】数控机床 自动换刀装置 机械手 PLC 控制系统
Research on Design and PLC Control System of Manipulator of Automatic Tool Changer in CNC Machine Tool
Chang Jiayu
（Gansu nonferrous metallurgy Career Technical College， Jinchang Gansu 737100）
【Abstract】Automatic tool changer is a key part of NC machine tools. In this paper， the main structure of the automatic tool changer is described， and the design of the manipulator， arm， base and auxiliary equipment is designed. The design can meet the requirements. The PLC technology is designed and realized. The results show that the control system can meet the needs of the control system.
【Key words】numerical control machine tool automatic tool change device manipulator PLC control system
数控机床是由机械设备与数控系统构成，用于机械加工的高效率、自动化机床，数控技术的应用大大提高了劳动效率，改进了产品质量。然而，不少数控机床使用传统的手工换刀方式，使得生产过程中更换刀具效率较低、精度也较低。由于自动换刀装置是机床的关键部件，其工作效率和可靠性决定了数控机床的整体水平[1]。随着计算机和控制技术的快速发展，换刀装置朝着自动化和智能化方向发展。
本文分析了某数控机床自动换刀装置的主要构成，对机械手等关键部件进行了设计，并实现了PLC控制。
1 自动换刀装置的主要构成
自动换刀装置主要由刀库、机械手及驱动装置等组成。刀库可分为圆盘式、转塔式和链式，其作用为存放刀头；机械手是刀库和转轴之间的运送部件，是自动换刀装置的关键部件；驱动装置通常分为液压式和凸轮联动两种方式[2]。如图所示，本课题所研究的是某双凸轮换刀装置。
换刀的步骤是：当某个工序进行完后，下道工序需要其他的刀具，此时换刀装置会将已用过的刀具卸下，存放至刀库，并将下道工序要用的刀具装入主轴，之后机械手回到零点，以此循环。整个过程可以通过PLC控制电机转动来实现刀库的角位移运动，利用电磁阀来控制驱动气缸的升降与伸缩，并以此控制机械手的运动。
2 机械手结构设计
机械手是换刀装置中的关键部件，其性能决定了整个换刀装置的性能[3]，由手部和传动机构组成，对其各个关键零部件进行了设计。
2.1 关键零部件设计
手部是用来与所有抓取的物件接触，根据被抓取物件的形状，可以分为夹持式和吸附式两种。因为刀柄通常为圆柱形，采用夹持式手部更为适合，故设计为夹持式手部。手爪的半弧直径与刀柄直径要一致，并设置有弹性挡块，当手爪抓刀时，挡块遇刀具后弹回，而卡住刀具后自动闭合，从而防止换刀装置在抓取过程中滑落。手部主要的性能参数为：手指动作时间0.02s，夹持力矩0.40Nm>M，手指两侧开闭角度﹣10°～ 30°，重复定位精度±0.01mm。
手臂是支撑手部、手腕及被抓物件的部位。其设计要求是：一是重量要轻，运动灵活，减少运动冲击；二是要有足够的强度，能够保证其支撑力足够大[4]。根据对手臂性能的要求，选用SMC型CQ2系列薄型气缸，其具有质量小，缸筒与无杆侧端盖压铸成一体，强度和刚度较大、体积小、安装方便等特点，能够满足手臂的要求。基座是机械手的支撑部分，要求强度高，便于安装，占地面积小。本研究的基座选用落地固定式结构，结构简单、性能实用，可以节约占地面积。
2.2 辅助装置的设计
在换刀装置运行过程中，气体流动和机械振动均会产生噪音，需要安装专门的消音器。常见的消音器有阻性消音器和抗性消音器两种。阻性消音器是利用多孔吸声材料来吸收声波，从而降低噪音，适合于中高频噪音；抗性消音器是由突变界面的管和室组合而成，每一个网孔都有固定的声频，从而滤除某些频率成分的噪声，适合于低频噪音。因换刀装置处在低频运行，所以选用抗性消音器。
空压机是压缩气体装置，选型时要注意吸入流量和输出压力两个重要参数，选用TYW-2型静音空压机。为了降低空压机中气体的回流量，在输气管路中加入6L的储气罐。气源处分别安装有水分过滤器、膨胀阀和油分分离器，用以过滤空气。
2.3 机械手的应力分析
机械手的强度和刚度关系到换刀过程能否顺利完成，对机械手进行静态强度和刚度分析，找出变形较大和应力集中的部位，看其是否满足运行需求，是验证设计合理性的一个重要方法[5]。
机械手处于垂直位置时，其处于极限工作状况，此时其受到的载荷有：手部自重、刀具及刀柄自重，共计9.8kg，其载荷主要集中在手爪圆弧的1/4处，面积为S=π×0.052=7.875×10-3m2，那么其受到的应力为12196Pa。而手爪所用材料为45#钢，其屈服强度为320MPa，许用应力为280MPa。 由上可知，机械手手爪在极限情况下所受到的应力在材料允许的承受范围，符合设计要求。
3 控制系统的设计与实现
3.1 控制方案的选择
目前，对于数控机床换刀装置的机械手，主要控制方式有：继电器、单片机和PLC等。各种方式有各自的优劣势，针对该设备的换刀装置，选择一套合理的控制方案对控制系统的设计非常重要。
继电器是通过将装置的各电器件机械触点进行串联或者并联，组成逻辑控制，从而实现对不同部件的控制。因为采用影线连接，且通过机械触点的吸合动作来完成控制操作，其具有工作效率较低、连接线路复杂、触点开闭时易产生电弧、工作寿命短、可扩展性较差等劣势，已经逐步被弃用。
单片机通过设置特定程序来控制换刀装置的各个零部件，具有技术成熟，成本低等优点。但是自动换刀系统结构较复杂，单片机设计既包括系统配置电路部分又有扩展电路部分，设计工作量偏大；并且单片机的抗干扰能力较差，维护维修相对麻烦。自动换刀装置是数控机床的关键部位，单片机方案尽管成本较低，但综合来看并不适用。
PLC通过可编程控制器运算后，控制电机驱动刀库做旋转运动，再由接近开关将信号反馈至PLC，通过逻辑运算控制刀库精确停止，从而完成换刀动作。PLC不仅具有逻辑控制、运算处理、通讯联网等功能，还具有可扩展性能好、抗干扰能力强等特点[6]。因此，本装置选用PLC进行控制。
3.2 硬件的选型
从机械手的工作状况来看，所用的PLC的输入端点和输出端点数应≥10个，西门子S7-300系列中6ES7 313-6CF03-0AB0型号，其具有CPU313C-2DP，64K内存，16DI/16DO，可以接受旋转编码器信号，能够控制步进电机运行，有高速计数器、数据输入/输出、通信和位置控制等模块，可实现模拟量控制、位置控制和联网功能，能够满足本系统的需求，故选用该型号PLC。通过对控制系统的整体分析，按照上表所示对数字量输入和输出端口进行分配。
步进电机在数控系统中应用十分广泛，随着全数字式交流伺服系统的发展，交流伺服电机应用也成为新的趋势。普通的步进电机在低速运转时，容易出现低频振动的现象，而交流伺服电机因其内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，能起到共振抑制功能，使得电机在低速运转时不会出现振动现象。同时，交流伺服电机还具有加速性能好、过载能力强的优势。故选用交流伺服电机，其输出转角与输入脉冲个数严格成正比关系，能方便地实现正、反转控制及调速和定位。
3.3 软件设计
控制系统设计有两种工作模式：手动模式和自动模式。手动模式时，操作者通过自己使用机械手完成换刀动作；自动模式下，通过传感器采集机械手的运行参数，由PLC完成运算后给出相应的动作，再自动完成换刀动作。采用模块化的设计思想，对PLC的主程序，和初始化、手动、自动、中断等子程序进行设计。主程序中对每个中间继电器触点的定义，初始化子程序中步进电机的驱动程序和各端口的初始化，是本程序设计的难点。采用SIMATIC SETP7软件进行编程，控制系统与PC机连接采用PC-PPI专用通讯电缆。
3.4 测试结果
按照以上方案构建了自动换刀装置机械手的控制系统，对其物理样机的控制性能进行测试。测试结果表明：该控制系统控制精度较高、系统整体反应灵敏、设备运行平稳、抗冲击性能较强，能够满足自动换刀装置对机械手的控制要求。
结语
自动换刀装置是数控机床的关键部件，阐述了其主要构成。对机械手进行了分析与设计，采用夹持式手部，手臂选用SMC型CQ2系列薄型气缸，基座选用落地固定式结构，辅助设备选用抗性消音器、TYW-2型静音空压机、气路中加装6L储气罐、气源处装有水分过滤器、膨胀阀和油分分离器过滤空气，极限情况下机械手的应力分析表明该设计能够满足要求。PLC控制正逐步取代传统的继电器控制，采用S7-300系列PLC，对该机械手的控制系统的硬件与软件进行了设计与实现，测试结果显示该控制系统具有精度高、反应快、可靠性强等特点，能够满足要求。
参考文献
[1]曾祥苹.数控机床自动换刀机构动力特性分析[J].机械工程与自动化，2013，（4）：204-205+208.
[2]李雅昔，李星恕，李晓莉等.数控车床加工椭圆类非圆曲线宏程序应用[J].河南科学，2015，33（2）：204-208.
[3]李加明，陶卫军，冯虎田.自动换刀装置发展现状及其关键技术[J].机床与液压，2013，41（5）：174-176.
[4]李隽，鲍秋辉，鹿晓莹等.数控加工中心自动换刀系统及控制实现[J].电气制造，2010，（12）：70-73.
[5]许可诚，顾寄南，王富良.换刀机械手控制系统的设计与研究[J].机械设计与制造2011，（8）：158-160.
[6]王玲.基于PLC的数控机床电气控制系统研究[J].新技术新工艺，2013，（12）：125-127.