總線型伺服刀庫在 M8．4 五軸加工中心的應用
2021-2-18 來源：沈機( 上海) 智能系統研發設計有限公司 作者：白鑫 都浩
摘要: 針對機械式斗笠刀庫需要回零操作，并且在選取刀具時需要與定位、計數接近開關配合，而接近開關的性能及安裝距離都會影響刀具的計數及定位，導致換刀錯誤的發生。為此設計了一款總線型伺服刀庫系統，利用機床原有 i5 數控系統，通過增加伺服驅動器及電動機并入系統 Ether CAT 總線，利用 PLC 軸控制刀盤旋轉、電動機編碼器反饋刀號的控制方法，達到快速及精確自動換刀的目的。
關鍵詞: 伺服刀庫; 五軸加工中心; PLC 軸控制; Ether CAT
1 、機床刀庫結構及控制總體設計
i5M8．4 五軸加工中心整機采用龍門動橫梁式結構，床體由床身、左立柱、右立柱、橫梁、滑鞍及刀庫組成，刀庫通過基座與床身進行連接，由于機床機械結構的特性，刀庫采用臺灣臻賞的斗笠式刀庫，可裝載 20把刀具，通過伺服電動機驅動刀盤旋轉，能夠高速無噪音運轉，并采用主軸抓刀的方式進行刀具交換。機床整體結構如圖 1 所示。
針對 i5M8．4 五軸機床與臻賞的斗笠式刀庫結構特點，設計開發一種以 PLC 軸為控制核心的斗笠式伺服刀庫自動換刀控制方法。斗笠式刀庫的主要結構包括: 刀盤、卡爪、減速機、伺服電動機、支撐架等組成; 伺服刀庫自動換刀控制主要對刀盤的精準定位、就近旋轉刀盤找刀、主軸刀具定向控制、機床伺服軸的聯動控制，以達到快速下刀、就近找刀、精準裝刀并更新刀具信息的換刀流程。
2 、伺服刀庫自動換刀的控制方法
通過對斗笠式刀庫換刀流程的分析，設計自動換刀的整體控制方案，確定將伺服刀庫配置為 PLC軸的方法，通過 PLC 軸控制伺服驅動器進而控制電動機帶動減速機旋轉，來實現刀盤的就近旋轉及精準定位的目的。PLC 軸本質上是 CNC 的基本坐標軸，它的連接、控制、調節、顯示、參數設定等都與普通 CNC 軸一樣需要通過 CNC 進行，但其操作權被移交給了 PLC。
通過軸的運動三要素: 運動方式，運動位移，運動速度由 PLC 給出，而不參與系統的插補指令。
由于刀庫電動機及其伺服驅動器通過 Ether CAT的總線方式并入機床的 i5 數控系統，所以刀庫自動換刀的系統控制及 PLC 輸入輸出點位等硬件，可直接利用原 i5 數控系統提供的軟 PLC 進行軟件編程，以及原機床內的 PLC IO 卡達到控制伺服刀庫自動換刀的目
的，由此減少了再次投入硬 PLC 編輯器進行開發及控制的成本。
利用總線方式控制伺服驅動器，相比其他控制方式更穩定，并且刀庫控制與 CNC 可以做到實時交互，在機床聯動與刀庫互鎖的方面，安全性及穩定性更高。
在數控系統中將刀庫伺服配置為 PLC 軸控制，命名為 U 軸，其相關參數配置如圖 2 所示。
3 、伺服刀庫控制程序設計
斗笠式刀庫由于沒有機械手的參與，所以與鏈式刀庫和圓盤式刀庫的換刀動作有較大的不同，主要表現在換刀動作需要主軸的配合，并且換刀采用點對點的換刀方式。其換刀動作主要分為以下步驟:
( 1) Z 軸上升至參考點位置，即將主軸刀具與工件脫離。
( 2) 主軸定向至規定角度，以便刀具的鍵槽可放入刀庫卡爪中。
( 3) A 軸回零，3 個直線軸運動至等待位，刀庫門開。
( 4) 刀盤旋轉，三軸運動至換刀點，主軸還刀。
( 5) 主軸松刀后 Z 軸上升，刀盤旋轉至預換刀位。
( 6) Z 軸下降至換刀點，主軸夾刀。
( 7) 三軸運動至等待位，刀庫門關閉，換刀結束。
在自動換刀的過程中，刀盤的旋轉定位控制是關鍵所在。由于刀盤可以雙向旋轉，具體的旋轉方向由當前刀位與目標刀位的距離決定。為了實現目標刀具的快速選取，需要刀盤總是以最短的路徑到達目標刀位，則刀盤的旋轉方向需要由 PLC 計算優化后給出。為滿足上述要求，設計如圖 3 所示的控制流程圖。
另外，原機械式刀庫在首次換刀時需要與零位開關配合，進行回零動作，以確定一號刀位的具體位置，而在選取刀具時需要與定位、計數接近開關配合，以進行刀號的加減，進而給出當前刀位的刀號; 采用伺服電動機控制刀盤定位，由于電動機自帶尼康 20 位絕對值編碼器，無需進行回零動作，當前刀號會實時反饋至 PLC，而選取刀具的過程則是 PLC 直接將 U 軸的目標位置及速度傳送至 CN，由 CNC 規劃 U 軸的具體動作進而實現刀盤的旋轉及定位，所以刀具的定位更加精準。
而原機械刀庫采用接近開關定位的方式，接近開關的性能及安裝距離都會影響刀具的計數及定位，長期使用的過程中，難免會出現遺漏的情況，導致裝刀錯誤的發生。
4 、結語
本文主要通過對五軸加工中心刀庫結構及自動換刀系統的分析，利用機床原有 i5 數控系統，通過增加伺服驅動器及電動機并入系統總線，并利用 PLC 軸控制的方法，設計了一款伺服刀庫自動換刀系統。通過測試證明，采用伺服刀庫的機床與原機械刀庫的機床對比，換刀時間最多可縮短 9 s( 主軸刀號為 T1，目標刀號為 T11) ，顯著的提高了換刀效率。
并且利用電動機編碼器作為刀號反饋，舍去了原有的計數開關，避免了由于接近開關的問題導致亂刀的可能，提高了自動換刀的可靠性及穩定性。目前，該伺服刀庫控制系統已應用至車間生產設備上。作為機床刀庫選配型號的一種可供用戶采購。
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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