1.輕型龍門加工中心機床概述

輕型定梁龍門機床為工作臺移動、橫梁固定式龍門機床，可帶刀庫，也可不帶刀庫。機床由床身、立柱和固定橫梁構成高剛度封閉框架。工作臺在床身導軌上做縱向運動，該向為X坐標;溜板在橫梁導軌上做橫向運動，該向為Y坐標;滑枕鏜銑頭在溜板導軌上做垂向運動，該向為Z坐標。機床采用SIEMENS840DE控制系統，機床的X、Y、Z三軸都是CNC控制軸，主軸采用西門子公司交流主軸電動機驅動，X、Y、Z三向進給采用西門子公司伺服電動機驅動。可以實現三維直線插補、二維圓弧插補和任意三軸聯動。

2.自動換刀控制要求

2.1刀庫控制

刀庫可以為盤式刀庫，刀庫容量為20位，主軸與刀庫換刀采用無機械手，就近找刀，原位直接換刀的方式;也可以用鏈式刀庫，刀庫容量為40把刀，采用機械手，任意找刀，任意換刀方式。刀庫盤由電動機通過齒輪降速驅動，有正、反轉和停止控制。為使刀庫盤快速停止，在電動機輸出軸上加有一失電摩擦制動器。當停止信號發出時，即令該制動器的電磁鐵失電，從而使刀庫停止轉動。刀庫盤轉動的分度和定位由馬氏機構、零位開關和計數開關實現。刀庫每轉到一個刀位，計數開關即動作一次。當刀庫轉到零位時，零位開關也動作。當刀庫轉到指定刀位時，計數開關或零位開關動作，這時立即使電動機停轉，制動器失電制動，從而刀庫盤停止并依靠馬氏機構精確定位在換刀位置。刀庫停止后，計數開關或零位開關斷開，這時應提示報警。

2.2氣動控制

刀庫防護門開關和主軸錐孔吹氣由氣動控制，氣源氣體經處理后供給汽缸。刀庫防護門開關由一氣缸來驅動，控制由二位四通雙電控換向閥來完成。該換向閥的特點是：換向閥的兩個位置，分別由兩個電磁鐵控制，而且換向閥時只需要給電磁鐵一個短暫的電信號（電信號待續時間為2s）即可完成換向。只有給另一個電磁鐵一個短暫電信號后，換向閥才會換到另一個位置。主軸錐孔吹氣用來清潔主軸錐孔，吹氣接通用一個二位三通電控截止閥來實現。當松刀開始時，給該電磁鐵通電，開始錐孔吹氣，直至松刀狀態結束時，電磁鐵失電，吹氣停止。

2.3主軸拉刀控制

主軸內部裝有刀具自動拉緊機構，該機構由碟簧拉緊、液壓松開刀具。刀具的拉緊和松開由一個兩位四通電磁閥控制。拉刀機構分為有刀、無刀、松刀，由三個無觸頭感應開關監測這三個狀態。

刀具的拉緊及松開可以由指令控制，也可以由操作面板上的按鈕控制。刀具的松開和拉緊狀態應在面板上有所顯示。主軸的轉動和刀具的拉緊和松開動作為互鎖關系。

3.馬氏機構

刀庫動作過程本加工中心的刀庫由馬氏機構刀庫盤、零位開關、計數開關、刀庫門開關閥和行程開關、主軸吹氣閥等組成。馬氏機構刀庫自動換刀是主軸移動到刀庫，利用主軸的松拉刀動作直接在刀庫盤上抓刀、還刀。在接近刀庫盤和離開刀庫盤時都需要慢速移動，以免與刀庫盤或者刀具發生碰撞造成事故，在其他位置就需要用快速移動來節約時間。刀庫的運動包括三個過程即主軸抓刀，主軸還刀和主軸換刀。主軸將運動到的幾個點，S1～S14表示滑枕和溜板運動的過程。主軸抓刀、主軸還刀和主軸換刀三個過程都可以用圖解分析出來。

3.1主軸抓刀過程

主軸抓刀是要求現在無刀的主軸去抓刀庫盤上的刀。動作是Y軸橫向移動到達刀庫頂端，Z軸向下移動到達刀具刀位并抓刀后，Y軸橫向移動離開刀庫（括弧號里內容是對Y和Z軸動作的描述）：S1（Z軸到P0，快速）→S2（Y軸到P1，快速）→主軸定向，第一軟限位生效，刀庫門開→S8（Y軸到P2，快速）→主軸松刀→S7（Z軸到P3，快速）→S6（Z軸到P4，慢速）→主軸緊刀→S12（Y軸到P5，慢速）→S13（Y軸到P6，快速）→S14（Z軸到P1，快速）→第二軟限位生效，主軸定向取消，刀庫門關。

3.2主軸還刀過程

主軸還刀是把主軸上的刀還回刀庫盤上原刀位。動作是Y軸橫向移動到達刀具刀位并松刀后，Z向上離開刀具到刀庫頂端，Y軸橫向離開刀庫：S1（Z軸到P0，快速）→S2（Y軸到P1，快速）→主軸定向，第一軟限位生效→S3（Z軸到P6，快速）→刀庫門開→S4（Y軸到P5，快速）→S5（Y軸到P4，慢速）→主軸松刀→S11（Z軸到P3，慢速）→S10（Z軸到P2，快速）→S9（Y軸到P1，快速）→第二軟限位生效，主軸定向取消，主軸緊刀，刀庫門關。

3.3主軸換刀過程

主軸換刀是要求把主軸上的刀還回刀庫盤上原刀位，并且再抓另外一把刀庫盤上的刀。動作是Y軸橫向移動到達刀具刀位并松刀后，Z向上離開刀具到刀庫頂端，刀庫盤轉動找刀，Z軸向下移動到達刀具刀位并抓刀后，Y軸橫向移動離開刀庫：S1（Z軸到P0，快速）→S2（Y軸到P1，快速）→主軸定向，第一軟限位生效→S3（Z軸到P6，快速）→刀庫門開→S4（Y軸到P5，快速）→S5（Y軸到P4，慢速）→主軸松刀→S11（Z軸到P3，慢速）→S10（Z軸到P2，快速）→刀庫盤旋轉，刀庫找刀→S7（Z軸到P3，快速）→S6（Z軸到P4，慢速）→主軸緊刀→S12（Y軸到P5，慢速）→S13（Y軸到P6，快速）→S14（Z軸到P1，快速）→第二軟限位生效，主軸定向取消，刀庫門關。

二、馬氏機構刀庫自動控制程序說明

根據自動換刀控制要求和動作過程編制PLC進行調試，使ATC正常工作。

1.加工中心I/O點安排

1.1輸入點安排I33.2：主軸緊刀到位開關（上位），I33.3：主軸緊刀到位開關（中位），I33.4：主軸松刀到位開關（下位），I36.3：主軸松刀按鈕開關按下，I36.4：主軸緊刀按鈕開關按下，I62.0：刀庫ATC生效，I62.1：刀庫ATC失效，I62.2：刀庫點動，I62.3：刀庫回零，I62.4：刀庫盤正轉，I62.5：刀庫盤反轉，I62.7：刀庫計數，I63.0：刀庫零位，I63.1：刀庫門開，I63.2：刀庫門關，I63.3：刀庫電動機監控，I63.4：刀庫鎖。

1.2輸出點安排Q49.0：主軸松刀閥，Q49.3：主軸松刀，Q56.0：刀庫ATC生效燈，Q56.1：刀庫點動，Q56.2：刀庫電動機正轉，Q56.3：刀庫電動機反轉，Q56.4：刀庫制動器，Q56.5：刀庫門開閥，Q56.6：刀庫門閉閥，Q56.7：主軸吹氣閥。

2.程序功能塊安排說明

FC51：主軸松拉刀，FC66：馬氏機構刀庫T碼處理，FC67：馬氏機構刀庫M碼處理，FC68：馬氏機構刀庫綜合處理。

3.PLC程序調試說明

刀庫調試時需要對各個電氣元器件進行單步調試，保證每一件電氣元器件都能正常工作;然后根據刀庫的抓刀，換刀，還刀等動作進行全部動作的手動強制執行，檢驗程序的執行情況;最后才能使用T和M指令在自動方式下進行程序的連續自動執行，使刀庫能正常運行。

三、結束語

我們的ATC通過在企業的多個產品上實際運行測試，運行情況良好，達到了控制要求。由于ATC原理及經驗大同小異，對不同類型數控系統機床也有一定的參考作用。