李本紅

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528137）

0 引言

針對國內(nèi)制造業(yè)高精度，產(chǎn)品工業(yè)設(shè)計復(fù)雜程度的增加，非標(biāo)制造設(shè)備行業(yè)的快速發(fā)展，對非標(biāo)高速加工中心的需求越來越多，可靠性要求也越來越高。高速加工中心作為數(shù)控機床的代表，其高速、高效、高精度等性能，在高精度制造業(yè)設(shè)備中占有不可替代的地位，國內(nèi)許多非標(biāo)數(shù)控機床廠的設(shè)計和開發(fā)能力具有國際水平或接近國際水平。然而國內(nèi)許多非標(biāo)設(shè)備制造企業(yè)在高速主軸，高速進給的前提下提出對高品質(zhì)高速加工中心提出更高的換刀要求。本文采用臺灣東元交流伺服驅(qū)動器和臺安飛碟刀庫進行改裝高速非標(biāo)刀庫，并對絕對式刀庫系統(tǒng)硬件進行了設(shè)計開發(fā)和東元伺服驅(qū)動器參數(shù)進行優(yōu)化和調(diào)整，實現(xiàn)了高速換刀的要求。

1 非標(biāo)刀庫系統(tǒng)的設(shè)計

PYA 系列高速加工中心，是自主開發(fā)研制的高速非標(biāo)加工中心機床，主要針對鋁型材非標(biāo)加工，主軸轉(zhuǎn)速15000r/min，主軸額定扭矩52Nm，X 軸快速移動速度60m/min，Y、Z 軸快速移動速度48m/min，X、Y、Z 三軸進給速度36m/s2。飛碟式刀庫的結(jié)構(gòu)如圖1 所示, 它是由回轉(zhuǎn)體和分布其上面的刀夾單元及伺服驅(qū)動電機等組成。刀庫伺服驅(qū)動器采用東元JSDAP-30 交流伺服驅(qū)動器，配套伺服電機采用JSMA-PSC08A7（功率為0.75kW，力矩為2.39Nm，轉(zhuǎn)速3000rpm，額定電流5A，輸出電壓0～230V，編碼器規(guī)格為17BIT 絕對編碼器），刀庫采用臺安飛碟式16 位刀庫。

圖1 刀庫結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Tool magazine Schematic

針對非標(biāo)高速主軸和高速刀庫系統(tǒng)的要求，目前主流刀庫系統(tǒng)為盤式刀庫、鏈?zhǔn)降稁旌投敷沂降稁?，因采用PMC 尋刀，對刀庫原點需要進行判斷，換刀過程復(fù)雜，換刀過程需時較長，需要5s 以上的時間，有些換刀時間更達到10s 以上，因鋁型材企業(yè)的要求，換刀時間要在3s 以內(nèi)，經(jīng)過開發(fā)，采用伺服驅(qū)動器代替PMC驅(qū)動接觸器的方法進行開發(fā)，刀庫采用直取式飛碟式16 位或24 位刀庫，絕對式飛碟刀庫減少了還刀時間和尋刀時間，節(jié)約了換刀時間，提高了換刀效率。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

采用東元伺服驅(qū)動器進行刀庫系統(tǒng)設(shè)計，主要分為伺服控制器主電路設(shè)計、參數(shù)設(shè)定設(shè)定兩大塊，主電路設(shè)計包含系統(tǒng)接線總體設(shè)計和電路設(shè)計。下面分別介紹系統(tǒng)設(shè)計的具體內(nèi)容。

（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。東元伺服驅(qū)動器可以承受較大的瞬時短路沖擊電流（低于500A），但為避免系統(tǒng)的沖擊電流對其他控制線路的沖擊和誤動作，系控制系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)計需要設(shè)計斷路器進行短路保護，同時為避免線網(wǎng)過壓或過流對系統(tǒng)造成損害，線路還需要設(shè)計電源濾波器去除線網(wǎng)瞬時過壓等保護線路。

東元伺服驅(qū)動器可以直接驅(qū)動?xùn)|元伺服電機JSDAP伺服電機，反饋采用三相編碼器進行反饋控制。對飛碟式快速刀庫的控制主要利用CN1 接口進行，主要保護系統(tǒng)的控制信號的接收和反饋控制信號（具體見伺服驅(qū)動器控制模式及參數(shù)設(shè)定），CN3 主要提供現(xiàn)場調(diào)試參數(shù)用。具體系統(tǒng)控制框圖見圖2 所示。

（2）系統(tǒng)主電源接線控制。東元伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)主電源控制結(jié)構(gòu)簡單，具體接線如圖3 所示。電源濾波器采用RCM-601BUZ-4，額定電壓250V，頻率50～60Hz，外部剎車電阻采用200W39Ω 瓷管電阻。R、S、T 為電源進線，通過交流接觸器MC 的主觸點引入，U、V、W為電源出線，接?xùn)|元JSDAP 交流伺服電機，r、s 為東元伺服驅(qū)動器工作電源。FG 為接地點。

圖3 刀庫伺服控制系統(tǒng)主電源接線圖Fig.3 Tool magazine servo control system is the main power supply wiring diagram

（3）伺服驅(qū)動器控制連接及參數(shù)設(shè)定。由于臺安飛碟式快速刀庫輸入輸出的形式是NPN，而東元伺服系統(tǒng)識別的是PNP 形式；所以加工中心需要用電氣控制柜中的24V 繼電器進行24V 的轉(zhuǎn)換。伺服驅(qū)動器控制飛碟式刀庫的運轉(zhuǎn)信號來源于FUNAC 0I MATE MD 系統(tǒng)的I/O link 的信號。伺服驅(qū)動器與系統(tǒng)的連接如圖4 所示。伺服驅(qū)動器驅(qū)動刀庫進行選刀信號由I/O link CB104 輸出，刀庫采用16 位刀庫，選刀信號以2 進制進行選刀，4 位2 進制剛好滿足16 把刀（24=16），刀庫反饋信號輸入CB105也采用2 進制進行反饋。

圖4 東元伺服驅(qū)動器與FUNAC I/O LINK 系統(tǒng)接線Fig.4 Teco servo drives and FUNAC I/O LINK system wiring

在調(diào)試機床的刀庫原點時，如果刀庫亂刀或者位置不準(zhǔn)的時候，先將面板模式開關(guān)撥到原點模式，執(zhí)行代碼M77，再進行急停，同時把刀庫位置用手動的方法進行扳正，再執(zhí)行代碼M79，完成以上操作后，刀庫現(xiàn)有位置就會成為原點位置，為刀庫提供原點位置參數(shù)。

在刀庫實際使用中還要對東元JSDAP 伺服驅(qū)動器重點參數(shù)進行設(shè)定，參數(shù)設(shè)定完必須使伺服驅(qū)動系統(tǒng)重新上電，因為系統(tǒng)重啟后才能使參數(shù)生效。具體幾個重點參數(shù)設(shè)定如下：

Cn29=1：恢復(fù)出廠設(shè)置，關(guān)電再上電；Cn01=9：刀庫模式（參數(shù)設(shè)置后需重新設(shè)置其他參數(shù)）；Cn25=20：機床慣量（按照臺安飛碟式刀庫參數(shù)要求設(shè)定）；qn501=40：速度增益；qn502=100：速度積分時間；qn505=40：位置增益；dn05=1：點動正反轉(zhuǎn)；201=50：點動速度設(shè)定；Pn324=16：刀盤數(shù)量；Pn326=80：減速比（出廠設(shè)定值為128）；Pn327=2800：換刀速度；Pn313=50：換刀加減速。

3 結(jié)論

本刀庫系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)后, 已經(jīng)在PYA 系列數(shù)控加工中心上應(yīng)用，達到了合作開發(fā)設(shè)計目的，換刀速度與國外同類高速加工中心產(chǎn)品的水平相當(dāng)，其性能可靠，換刀過程平穩(wěn)，換刀過程無過沖，運動平衡無沖擊，使得告訴加工中心的加工速度有了很大的提升，提升了國產(chǎn)化率和自主開發(fā)的能力指數(shù)，降低了生產(chǎn)成本，對加工中心刀庫設(shè)計有一定參考價值, 值得推廣。

[1]曹秋霞，馬國亮. 小型立式加工中心圓盤式刀庫的設(shè)計[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2005.

[2]張世民. 機械原理[M]. 北京：中央廣播電視大學(xué)出版社，1992.

[3]鄧召義.實用機械電子技術(shù)設(shè)計手冊（機械部分）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[4]彭文.槽輪機構(gòu)在加工中心鼓輪式刀庫上的應(yīng)用[J].機械工程師，1999.

[5]廉元國.加工中心設(shè)計與應(yīng)用[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1995.

[6]周建東.加工中心盤式刀庫的設(shè)計[J].工藝與裝備，2007，8.