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0 引言

    PLC(Programmable Logic Controller)及其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)廣泛地應(yīng)用到工業(yè)自動(dòng)化控制之中，成為工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱之一，在數(shù)控加工中心同樣發(fā)揮不可替代的作用，對(duì)數(shù)控機(jī)床的轉(zhuǎn)位或夾緊及刀庫(kù)的管理等都能很好地控制。其中對(duì)刀庫(kù)的控制管理主要是在刀具庫(kù)中自動(dòng)快速、可靠、準(zhǔn)確的換刀定位。盤(pán)式刀庫(kù)是加工中心應(yīng)用最廣泛的一種刀庫(kù)形式。小型PLC的I／O點(diǎn)數(shù)少，是困擾其在刀庫(kù)自動(dòng)選刀控制系統(tǒng)應(yīng)用的一個(gè)難題。

    本文以盤(pán)式刀庫(kù)的自動(dòng)選刀模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，應(yīng)用TRIZ理論對(duì)刀庫(kù)選刀控制系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，研究并提出采用小型PLC控制的自動(dòng)選刀控制系統(tǒng)。

1 刀庫(kù)自動(dòng)選刀機(jī)械系統(tǒng)

    刀庫(kù)自動(dòng)選刀機(jī)械系統(tǒng)主要由安裝架、電機(jī)、模擬刀盤(pán)和反射式傳感器等組成，如圖1所示。電機(jī)固定在安裝架上，電機(jī)選用JSM M36S B1A—G37-D12微型直流制動(dòng)電機(jī)，電機(jī)聯(lián)接驅(qū)動(dòng)刀庫(kù)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)；刀庫(kù)模擬轉(zhuǎn)盤(pán)邊沿均勻分布的10個(gè)圓孔表示l0個(gè)刀位；用反射式傳感器采集刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的位置信號(hào)。

    本文的刀庫(kù)自動(dòng)選刀系統(tǒng)的控制系統(tǒng)為開(kāi)放式設(shè)計(jì)，既可以應(yīng)用單片機(jī)，也可應(yīng)用PLC控制和計(jì)算機(jī)控制。這里主要探討基于小型PLC的選刀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。以選刀模擬機(jī)械系統(tǒng)作為被控制對(duì)象，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)帶動(dòng)模擬刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，可以直觀的體現(xiàn)自動(dòng)選刀的每個(gè)動(dòng)作。

圖1 刀厙自動(dòng)選刀機(jī)械系統(tǒng)示意圖

2刀庫(kù)自動(dòng)選刀控制系統(tǒng)分析

    2．1 刀庫(kù)選刀方式

    目前加工中心大量使用記憶式的任選方式，該方式將刀具號(hào)和刀庫(kù)中的刀套位置(地址)通過(guò)編碼識(shí)別系統(tǒng)對(duì)應(yīng)地記憶在數(shù)控系統(tǒng)的PLC中，無(wú)論刀具放在哪個(gè)刀套內(nèi)都始終記憶著。刀庫(kù)上的位置識(shí)別系統(tǒng)可以檢測(cè)出每個(gè)刀套的位置，使刀具可以任意取出再送回。刀庫(kù)上還設(shè)有機(jī)械原點(diǎn)(即取刀口)，使每次選刀時(shí)就近選取。本文主要采用記憶式取刀方式，即任意刀座轉(zhuǎn)到傳感器都能被判斷出其刀座號(hào)，傳感器所在位置設(shè)為取刀口。

    2．2 自動(dòng)選刀控制原則

    演示系統(tǒng)的刀庫(kù)容量為10把刀具，其編號(hào)為0—9，沿轉(zhuǎn)盤(pán)的周向均勻分布，如圖2所示。根據(jù)要求，指定刀具自動(dòng)轉(zhuǎn)至換刀位置(取刀口)。為提高取刀效率，按路徑最短原則取刀，即要求換刀時(shí)按最小旋轉(zhuǎn)角(≤1800)轉(zhuǎn)動(dòng)?！霸O(shè)定取刀號(hào)”減去“現(xiàn)值刀號(hào)”，如果其值大于5，則確定刀庫(kù)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向?yàn)檎?，否則反轉(zhuǎn)。例如：設(shè)定取刀號(hào)為9，現(xiàn)值刀號(hào)為3，則9—3=6>5，置正轉(zhuǎn)標(biāo)志(刀庫(kù)將正轉(zhuǎn)1440)；若設(shè)定取刀號(hào)為6，現(xiàn)值為3，則6—3=3<5，置反轉(zhuǎn)標(biāo)志(刀庫(kù)將反轉(zhuǎn)108°)；如果設(shè)定取刀號(hào)為1，現(xiàn)值為3，則1—3=一2<0，需取補(bǔ)修正，一2+10=8>5，置正轉(zhuǎn)標(biāo)志(正轉(zhuǎn)720)，由于8>5，經(jīng)小于半數(shù)處理，10—8=2。小于半數(shù)處理的目的是使刀庫(kù)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度小于180°。

圖2刀庫(kù)示意圖

    2．3控制系統(tǒng)的工作過(guò)程

    本控制系統(tǒng)的主要工作過(guò)程：①初始狀態(tài)，0號(hào)刀具應(yīng)在取刀口，確立原點(diǎn)。若0號(hào)刀具不在取刀口，需要手動(dòng)調(diào)整使0號(hào)刀具轉(zhuǎn)動(dòng)到取刀口。每按一下手動(dòng)調(diào)節(jié)按鈕。刀盤(pán)正向旋轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)刀位；若持續(xù)按下手動(dòng)調(diào)節(jié)按鈕則刀盤(pán)連續(xù)正向旋轉(zhuǎn)，直到松開(kāi)按鈕后的下一個(gè)刀位停止。②確立原點(diǎn)后，可以進(jìn)入自動(dòng)取刀演示狀態(tài)。輸入要取的刀具號(hào)，利用數(shù)碼管顯示該刀具號(hào)；然后按啟動(dòng)按鈕，根據(jù)路徑最短原則，直流制動(dòng)減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，數(shù)碼管即時(shí)顯示轉(zhuǎn)動(dòng)到取刀口處的的刀具位號(hào)，當(dāng)要求的刀具號(hào)來(lái)到取刀口，然后發(fā)出制動(dòng)指令，使刀盤(pán)迅速制停，提高刀具的定位精度，并規(guī)定時(shí)間內(nèi)不接受取刀指令。③取刀過(guò)程中可按暫停鍵，使電機(jī)制動(dòng)，暫停刀盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，再次按暫停鍵可以去除制動(dòng)繼續(xù)該次取刀過(guò)程。

3 刀庫(kù)自動(dòng)選刀控制系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

    3．1 控制系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)——TRIZ

    TRIZ是前蘇聯(lián)G．S．Altshuler為首的科學(xué)家在技術(shù)系統(tǒng)演變規(guī)律基礎(chǔ)上，建立的發(fā)明創(chuàng)造和實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新的新理論”引。技術(shù)系統(tǒng)演變的8個(gè)模式、39個(gè)通用工程參數(shù)、40條發(fā)明原理、39×39沖突解決矩陣、76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解、發(fā)明問(wèn)題解決算法(ARIZ)以及工程知識(shí)效應(yīng)庫(kù)等一同構(gòu)成了TRIz的理論與方法體系。

    TRIZ認(rèn)為，產(chǎn)品進(jìn)化過(guò)程就是不斷解決產(chǎn)品所存在沖突的過(guò)程，推動(dòng)其向理想化方向進(jìn)化。技術(shù)沖突是典型的工程妥協(xié)問(wèn)題，即當(dāng)提高系統(tǒng)某一技術(shù)特性(參數(shù))時(shí)，另一特性(參數(shù))會(huì)惡化。TRIZ創(chuàng)新原理的核心就是解決技術(shù)系統(tǒng)中存在的沖突，沖突解決矩陣是解決技術(shù)沖突的有效工具。一旦技術(shù)問(wèn)題抽象成技術(shù)沖突的形式，就要用該問(wèn)題所處的技術(shù)領(lǐng)域中的特定術(shù)語(yǔ)描述這個(gè)沖突，然后將這個(gè)沖突轉(zhuǎn)換成TRIZ的通用工程參數(shù)，最后由通用工程參數(shù)在技術(shù)沖突解決矩陣中選擇可用的發(fā)明原理。