閆 猛 王更柱 梁宏斌 王成華

(①遼寧科技大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 鞍山 114051;②大連機(jī)床集團(tuán)數(shù)控研究所，遼寧 大連 116620)

刀塔是數(shù)控車床的重要功能部件，其結(jié)構(gòu)性能直接影響機(jī)床整體運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性和工作效率。轉(zhuǎn)位精度是衡量數(shù)控刀塔的一項(xiàng)重要指標(biāo)，在電動(dòng)和液壓刀塔中定位是靠檢測接近開關(guān)來完成的，這種定位方式具有精度低、易損壞等缺點(diǎn)，已不能適應(yīng)數(shù)控機(jī)床對核心功能部件的要求。伺服刀塔與傳統(tǒng)的液壓、電動(dòng)刀塔相比具有轉(zhuǎn)位速度快、轉(zhuǎn)位精度高、結(jié)構(gòu)簡單、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，符合當(dāng)今機(jī)床朝著高速、高精度方向發(fā)展的趨勢，已廣泛地應(yīng)用于國內(nèi)外的中、高檔數(shù)控車床中。

1 伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理及其特性

伺服電動(dòng)機(jī)又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩類，其內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制的U/V/W 三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電動(dòng)機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，以此調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。伺服電動(dòng)機(jī)的特性是在無控制信號(hào)時(shí)不轉(zhuǎn)動(dòng)，有效的克服了電動(dòng)機(jī)的“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，具有良好的控制性。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)以Fanuc 0i 數(shù)控系統(tǒng)的PMC 為控制核心，以意大利巴拉法蒂公司生產(chǎn)的TB120 伺服刀架為被控對象，采用DMS08 -BF 作為伺服驅(qū)動(dòng)裝置。

2.1 刀架選型

TB120 伺服刀架是意大利巴拉法蒂公司生產(chǎn)的TB 刀架系列的一款，該系列刀架具有高剛性、高可靠性、能承受大的切削力、接口簡單、適用于各種數(shù)控車床的特點(diǎn)。TB120 伺服刀架的具體參數(shù)為:刀位號(hào)8～12;慣量1.2 kgm2;液壓系統(tǒng)所需壓力3 ±0.3 MPa;允許最大換刀頻率800 次/h;最大允許切線扭矩1 100 N·m;最大允許軸向推壓扭矩1 200 N·m;最大允許軸向拖拉扭矩700 N·m;不平衡扭矩10 N·m。TB120 伺服刀架的部分結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

刀架換刀動(dòng)作原理:刀架處于定位(即離合器閉鎖)狀況時(shí)，滾子(6)處于凸輪(7)頂點(diǎn)處，開閉環(huán)(8)與轉(zhuǎn)齒盤(1)及固定齒盤(9)互相嚙合實(shí)現(xiàn)刀架定位。

當(dāng)執(zhí)行換刀指令時(shí)，控制系統(tǒng)給電磁閥發(fā)出松開指令，液壓系統(tǒng)先移動(dòng)活塞(3)牽動(dòng)滾子座(5)轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)滾子(6)由凸輪(7)高點(diǎn)向低點(diǎn)方向移動(dòng)，此時(shí)開閉環(huán)(8)會(huì)受到彈簧(2)的推壓而往后移動(dòng)讓轉(zhuǎn)齒盤(1)松開。刀架松開接近開關(guān)P ×A 發(fā)出松開完成信號(hào)給控制系統(tǒng)，并由控制系統(tǒng)給伺服電動(dòng)機(jī)發(fā)出啟動(dòng)指令，伺服電動(dòng)機(jī)(4)開始轉(zhuǎn)動(dòng)徑齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)齒盤(1)轉(zhuǎn)動(dòng)至預(yù)定位置，并將到位信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)，然后由控制系統(tǒng)發(fā)出電磁鎖緊指令，液壓系統(tǒng)反向移動(dòng)活塞再次將滾子(6)推向凸輪(7)的高點(diǎn)，開閉環(huán)(8)會(huì)受到滾子(6)推壓而往前移動(dòng)與轉(zhuǎn)齒盤(1)及固定齒盤(9)相互嚙合，刀架鎖緊接近開關(guān)P×B 給系統(tǒng)發(fā)出鎖緊完成信號(hào)，刀架完成換刀動(dòng)作。

2.2 伺服驅(qū)動(dòng)器選型

DMS08 -BF 伺服驅(qū)動(dòng)模塊具有功能指令豐富、效率高、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，它能給用戶提供多種操作模式，刀位號(hào)和報(bào)警信息能在驅(qū)動(dòng)面板上顯示。該驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)置電動(dòng)機(jī)專用數(shù)字處理器，以軟件的方式實(shí)現(xiàn)了電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的閉環(huán)伺服控制，具備了良好的魯棒性和自適應(yīng)能力，適用于對轉(zhuǎn)速、位置控制要求較高的場合。具體的電器參數(shù):標(biāo)稱電流:8 A;有效峰值電流:16 A;輸出頻率:0～400 Hz;輸入電壓;220～230(+10%/ -15%)V;電源頻率:45～60 Hz;剎車電阻:內(nèi)阻47 Ω/50 Hz;電磁過濾器:內(nèi)部。

刀位是PMC 進(jìn)行邏輯運(yùn)算的重要信息，傳統(tǒng)刀架的刀位是靠檢測開確定。DMS08 -BF 伺服驅(qū)動(dòng)模塊的刀號(hào)位置反饋在母接頭DB26 -J1(LO.1 -LO.2 -LO.3 -LO.4)上并以二進(jìn)制的形式反饋當(dāng)前的刀號(hào)位置，如1 號(hào)刀位反饋到控制系統(tǒng)中的BCD 碼為:0001，具體的刀位反饋信息表如表1 所示。其中，“○”表示輸出高電平(+24 V)，“—”表示沒有輸出(0 V)。

表1 刀位反饋信息表

2.3 伺服刀塔的原理

伺服刀塔從總體上可以分為3 大部分，它們分別為:計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)裝置和刀架，其中，CNC負(fù)責(zé)發(fā)送換刀指令，PMC 接收換刀指令后進(jìn)行邏輯運(yùn)算與判斷;伺服驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行PMC 發(fā)出的指令并反饋信息給PMC;刀架負(fù)責(zé)安放加工所需的刀具和具體執(zhí)行換刀動(dòng)作。伺服刀塔的原理如圖2 所示。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

可編程機(jī)床控制器(Programmable Machine Controller，PMC)是由FANUC 數(shù)控系統(tǒng)主機(jī)中PMC 控制模塊和外置的I/O 模塊單元組成，專門用于對機(jī)床的控制。在刀塔的控制中，PMC 根據(jù)CNC、伺服系統(tǒng)以及機(jī)床控制的需要，有機(jī)地協(xié)調(diào)它門之間的關(guān)系，以達(dá)到良好的邏輯控制效果。本次設(shè)計(jì)中用的接口信號(hào)有3 類:機(jī)床側(cè)?PMC 信號(hào);CNC?PMC 信號(hào);伺服驅(qū)動(dòng)器?PMC 信號(hào)。

3.1 運(yùn)行信號(hào)波形

運(yùn)行信號(hào)時(shí)序圖說明了刀塔在自動(dòng)換刀方式下?lián)Q刀過程中各信號(hào)動(dòng)作的情況。系統(tǒng)新的換刀請求與啟動(dòng)指令之間應(yīng)該有50 ms 的延時(shí)，啟動(dòng)指令保持100 ms 以上有效。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位置后，伺服驅(qū)動(dòng)模塊將刀架到位信號(hào)和鎖緊信號(hào)反饋給PMC，經(jīng)PMC 確認(rèn)后，向CNC 發(fā)出換刀完成信號(hào)。具體各信號(hào)的運(yùn)動(dòng)時(shí)序如圖3，其中Mod.1 為自動(dòng)換刀方式。

3.2 PMC 控制原理及其軟件流程圖

當(dāng)CNC 發(fā)出換刀T 指令(TF:F0007.3=1)后，PMC 將接受到T 代碼指令數(shù)據(jù)與刀塔當(dāng)前刀位數(shù)據(jù)進(jìn)行比較判別，若一致時(shí)，刀塔鎖緊檢測(PX.Lock:X0001.1=1)，關(guān)斷伺服驅(qū)動(dòng)器(SVF:Y0000.2=0)，完成換刀動(dòng)作(T.FIN:G0005.3=1);若不一致時(shí)，根據(jù)目標(biāo)刀號(hào)位置與當(dāng)前刀號(hào)位置，計(jì)算出最優(yōu)路徑并接通伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出刀塔松開指令(EV.Unlock:Y000.0=1)，待松開檢測接近開關(guān)發(fā)出松開完成信號(hào)(PX.Unlock:X0001.0=1)后，令伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向指令目標(biāo)位置運(yùn)動(dòng)，目標(biāo)位置到達(dá)后，伺服系統(tǒng)將到位信號(hào)(ST.INDEX:X0001.3=1)送給PMC，PMC 經(jīng)比較確認(rèn)后命令刀塔鎖緊(EV.Lock=1)，待鎖緊檢測接近開關(guān)發(fā)出鎖緊完成信號(hào)(PX.Lock:X0001.1=1)后，關(guān)閉伺服驅(qū)動(dòng)器并發(fā)出T 代碼結(jié)束信號(hào)(T.FIN:G0005.3=1)送給CNC，CNC 在受到T.FIN 后，經(jīng)過系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定的延時(shí)，將TF 選通信號(hào)恢復(fù)“0”狀態(tài)，完成換刀動(dòng)作，CNC 繼續(xù)執(zhí)行下一段程序。部分信號(hào)地址如表2所示，具體的控制系統(tǒng)流程圖所圖4 所示。

表2 伺服刀塔部分PMC 接口信號(hào)地址表

4 結(jié)語

本文介紹了伺服刀塔的硬件和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，該刀塔采用伺服電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，利用驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行位置精確控制，不僅簡化了刀塔的機(jī)械結(jié)構(gòu)，而且提高了轉(zhuǎn)位速度和精度，使其可靠性增強(qiáng)，有效地滿足了數(shù)控機(jī)床對功能部件的要求，廣泛應(yīng)用在國內(nèi)外的中、高檔數(shù)控車床上，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

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