基于TRIZ的刀库自动选刀系统创新设计

PLC(Programmable Logic Controller)及其网络技术广泛地应用到工业自动化控制之中，成为工业自动化的三大支柱之一，在数控加工中心同样发挥不可替代的作用，对数控机床的转位或夹紧及刀库的管理等都能很好地控制。其中对刀库的控制管理主要是在刀具库中自动快速、可靠、准确的换刀定位。盘式刀库是加工中心应用最广泛的一种刀库形式。小型PLC的I／O点数少，是困扰其在刀库自动选刀控制系统应用的一个难题。

本文以盘式刀库的自动选刀模拟实验系统为基础，应用TRIZ理论对刀库选刀控制系统进行创新设计，研究并提出采用小型PLC控制的自动选刀控制系统。

1 刀库自动选刀机械系统

刀库自动选刀机械系统主要由安装架、电机、模拟刀盘和反射式传感器等组成，如图1所示。电机固定在安装架上，电机选用JSM M36S B1A—G37-D12微型直流制动电机，电机联接驱动刀库盘转动；刀库模拟转盘边沿均匀分布的10个圆孔表示l0个刀位；用反射式传感器采集刀盘转动的位置信号。

本文的刀库自动选刀系统的控制系统为开放式设计，既可以应用单片机，也可应用PLC控制和计算机控制。这里主要探讨基于小型PLC的选刀控制系统设计。以选刀模拟机械系统作为被控制对象，驱动直流电机带动模拟刀盘转动，可以直观的体现自动选刀的每个动作。

2刀库自动选刀控制系统分析

2．1 刀库选刀方式

目前加工中心大量使用记忆式的任选方式，该方式将刀具号和刀库中的刀套位置(地址)通过编码识别系统对应地记忆在数控系统的PLC中，无论刀具放在哪个刀套内都始终记忆着。刀库上的位置识别系统可以检测出每个刀套的位置，使刀具可以任意取出再送回。刀库上还设有机械原点(即取刀口)，使每次选刀时就近选取。本文主要采用记忆式取刀方式，即任意刀座转到传感器都能被判断出其刀座号，传感器所在位置设为取刀口。

2．2 自动选刀控制原则

演示系统的刀库容量为10把刀具，其编号为0—9，沿转盘的周向均匀分布，如图2所示。根据要求，指定刀具自动转至换刀位置(取刀口)。为提高取刀效率，按路径最短原则取刀，即要求换刀时按最小旋转角(≤1800)转动。“设定取刀号”减去“现值刀号”，如果其值大于5，则确定刀库盘转动的方向为正向，否则反转。例如：设定取刀号为9，现值刀号为3，则9—3=6>5，置正转标志(刀库将正转1440)；若设定取刀号为6，现值为3，则6—3=3<5，置反转标志(刀库将反转108°)；如果设定取刀号为1，现值为3，则1—3=一2<0，需取补修正，一2+10=8>5，置正转标志(正转720)，由于8>5，经小于半数处理，10—8=2。小于半数处理的目的是使刀库盘转动的角度小于180°。

2．3控制系统的工作过程

本控制系统的主要工作过程：①初始状态，0号刀具应在取刀口，确立原点。若0号刀具不在取刀口，需要手动调整使0号刀具转动到取刀口。每按一下手动调节按钮。刀盘正向旋转过一个刀位；若持续按下手动调节按钮则刀盘连续正向旋转，直到松开按钮后的下一个刀位停止。②确立原点后，可以进入自动取刀演示状态。输入要取的刀具号，利用数码管显示该刀具号；然后按启动按钮，根据路径最短原则，直流制动减速电机驱动刀盘转动，数码管即时显示转动到取刀口处的的刀具位号，当要求的刀具号来到取刀口，然后发出制动指令，使刀盘迅速制停，提高刀具的定位精度，并规定时间内不接受取刀指令。③取刀过程中可按暂停键，使电机制动，暂停刀盘的转动，再次按暂停键可以去除制动继续该次取刀过程。

3 刀库自动选刀控制系统创新设计

3．1 控制系统创新设计理论基础——TRIZ

TRIZ是前苏联G．S．Altshuler为首的科学家在技术系统演变规律基础上，建立的发明创造和实现技术创新的新理论”引。技术系统演变的8个模式、39个通用工程参数、40条发明原理、39×39冲突解决矩阵、76个标准解、发明问题解决算法(ARIZ)以及工程知识效应库等一同构成了TRIz的理论与方法体系。

TRIZ认为，产品进化过程就是不断解决产品所存在冲突的过程，推动其向理想化方向进化。技术冲突是典型的工程妥协问题，即当提高系统某一技术特性(参数)时，另一特性(参数)会恶化。TRIZ创新原理的核心就是解决技术系统中存在的冲突，冲突解决矩阵是解决技术冲突的有效工具。一旦技术问题抽象成技术冲突的形式，就要用该问题所处的技术领域中的特定术语描述这个冲突，然后将这个冲突转换成TRIZ的通用工程参数，最后由通用工程参数在技术冲突解决矩阵中选择可用的发明原理。

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