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總線型伺服刀庫在 M8．4 五軸加工中心的應(yīng)用

2022-3-17 來源：沈機(jī)( 上海) 智能系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)有限公作者：白鑫都浩

摘要: 針對(duì)機(jī)械式斗笠刀庫需要回零操作，并且在選取刀具時(shí)需要與定位、計(jì)數(shù)接近開關(guān)配合，而接近開關(guān)的性能及安裝距離都會(huì)影響刀具的計(jì)數(shù)及定位，導(dǎo)致?lián)Q刀錯(cuò)誤的發(fā)生。為此設(shè)計(jì)了一款總線型伺服刀庫系統(tǒng)，利用機(jī)床原有 i5 數(shù)控系統(tǒng)，通過增加伺服驅(qū)動(dòng)器及電動(dòng)機(jī)并入系統(tǒng) EtherCAT 總線，利用 PLC 軸控制刀盤旋轉(zhuǎn)、電動(dòng)機(jī)編碼器反饋刀號(hào)的控制方法，達(dá)到快速及精確自動(dòng)換刀的目的。

關(guān)鍵詞: 伺服刀庫; 五軸加工中心; PLC 軸控制; EtherCAT 總線

1、機(jī)床刀庫結(jié)構(gòu)及控制總體設(shè)計(jì)

i5M8．4 五軸加工中心整機(jī)采用龍門動(dòng)橫梁式結(jié)構(gòu)，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(jìn)行連接，由于機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的特性，刀庫采用臺(tái)灣臻賞的斗笠式刀庫，可裝載 20把刀具，通過伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)，能夠高速無噪音運(yùn)轉(zhuǎn)，并采用主軸抓刀的方式進(jìn)行刀具交換。機(jī)床整體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

針對(duì) i5M8．4 五軸機(jī)床與臻賞的斗笠式刀庫結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)開發(fā)一種以 PLC 軸為控制核心的斗笠式伺服刀庫自動(dòng)換刀控制方法。斗笠式刀庫的主要結(jié)構(gòu)包括: 刀盤、卡爪、減速機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)、支撐架等組成［1］; 伺服刀庫自動(dòng)換刀控制主要對(duì)刀盤的精準(zhǔn)定位、就近旋轉(zhuǎn)刀盤找刀、主軸刀具定向控制、機(jī)床伺服軸的聯(lián)動(dòng)控制，以達(dá)到快速下刀、就近找刀、精準(zhǔn)裝刀并更新刀具信息的換刀流程。

2、伺服刀庫自動(dòng)換刀的控制方法

通過對(duì)斗笠式刀庫換刀流程的分析，設(shè)計(jì)自動(dòng)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(qū)動(dòng)器進(jìn)而控制電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)旋轉(zhuǎn)，來實(shí)現(xiàn)刀盤的就近旋轉(zhuǎn)及精準(zhǔn)定位的目的。PLC 軸本質(zhì)上是 CNC 的基本坐標(biāo)軸，它的連接、控制、調(diào)節(jié)、顯示、參數(shù)設(shè)定等都與普通 CNC 軸一樣需要通過 CNC 進(jìn)行，但其操作權(quán)被移交給了 PLC。通過軸的運(yùn)動(dòng)三要素: 運(yùn)動(dòng)方式，運(yùn)動(dòng)位移，運(yùn)動(dòng)速度由 PLC 給出，而不參與系統(tǒng)的插補(bǔ)令［2］。

由于刀庫電動(dòng)機(jī)及其伺服驅(qū)動(dòng)器通過 EtherCAT的總線方式并入機(jī)床的 i5 數(shù)控系統(tǒng)，所以刀庫自動(dòng)換刀的系統(tǒng)控制及 PLC 輸入輸出點(diǎn)位等硬件，可直接利原 i5 數(shù)控系統(tǒng)提供的軟 PLC 進(jìn)行軟件編程，以及原機(jī)床內(nèi)的 PLC IO 卡達(dá)到控制伺服刀庫自動(dòng)換刀的目的，由此減少了再次投入硬 PLC 編輯器進(jìn)行開發(fā)及控制的成本。利用總線方式控制伺服驅(qū)動(dòng)器，相比其他控制方式更穩(wěn)定，并且刀庫控制與 CNC 可以做到實(shí)時(shí)交互，在機(jī)床聯(lián)動(dòng)與刀庫互鎖的方面，安全性及穩(wěn)定性更高。

在數(shù)控系統(tǒng)中將刀庫伺服配置為 PLC 軸控制，命名為 U 軸，其相關(guān)參數(shù)配置如圖 2 所示。

3、伺服刀庫控制程序設(shè)計(jì)

斗笠式刀庫由于沒有機(jī)械手的參與，所以與鏈?zhǔn)降稁旌蛨A盤式刀庫的換刀動(dòng)作有較大的不同，主要表現(xiàn)在換刀動(dòng)作需要主軸的配合［3］，并且換刀采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的換刀方式。其換刀動(dòng)作主要分為以下步驟:

( 1) Z 軸上升至參考點(diǎn)位置，即將主軸刀具與工件脫離。

( 2) 主軸定向至規(guī)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(gè)直線軸運(yùn)動(dòng)至等待位，刀庫門開。

( 4) 刀盤旋轉(zhuǎn)，三軸運(yùn)動(dòng)至換刀點(diǎn)，主軸還刀。

( 5) 主軸松刀后 Z 軸上升，刀盤旋轉(zhuǎn)至預(yù)換刀位。

( 6) Z 軸下降至換刀點(diǎn)，主軸夾刀。

( 7) 三軸運(yùn)動(dòng)至等待位，刀庫門關(guān)閉，換刀結(jié)束。

在自動(dòng)換刀的過程中，刀盤的旋轉(zhuǎn)定位控制是關(guān)鍵所在。由于刀盤可以雙向旋轉(zhuǎn)，具體的旋轉(zhuǎn)方向由當(dāng)前刀位與目標(biāo)刀位的距離決定。為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)刀具的快速選取，需要刀盤總是以最短的路徑到達(dá)目標(biāo)刀位，則刀盤的旋轉(zhuǎn)方向需要由 PLC 計(jì)算優(yōu)化后給出。為滿足上述要求，設(shè)計(jì)如圖 3 所示的控制流程圖。

另外，原機(jī)械式刀庫在首次換刀時(shí)需要與零位開關(guān)配合，進(jìn)行回零動(dòng)作，以確定一號(hào)刀位的具體位置，而在選取刀具時(shí)需要與定位、計(jì)數(shù)接近開關(guān)配合，以進(jìn)行刀號(hào)的加減，進(jìn)而給出當(dāng)前刀位的刀號(hào)［4］; 采用伺服電動(dòng)機(jī)控制刀盤定位，由于電動(dòng)機(jī)自帶尼康 20 位絕對(duì)值編碼器，無需進(jìn)行回零動(dòng)作，當(dāng)前刀號(hào)會(huì)實(shí)時(shí)反饋至 PLC，而選取刀具的過程則是 PLC 直接將 U 軸的目標(biāo)位置及速度傳送至 CNC，由 CNC 規(guī)劃 U 軸的具體動(dòng)作進(jìn)而實(shí)現(xiàn)刀盤的旋轉(zhuǎn)及定位，所以刀具的定位更精準(zhǔn)。而原機(jī)械刀庫采用接近開關(guān)定位的方式，接近開關(guān)的性能及安裝距離都會(huì)影響刀具的計(jì)數(shù)及定位，長(zhǎng)期使用的過程中，難免會(huì)出現(xiàn)遺漏的情況，導(dǎo)致裝刀錯(cuò)誤的發(fā)生。

4、結(jié)語

本文主要通過對(duì)五軸加工中心刀庫結(jié)構(gòu)及自動(dòng)換刀系統(tǒng)的分析，利用機(jī)床原有 i5 數(shù)控系統(tǒng)，通過增加伺服驅(qū)動(dòng)器及電動(dòng)機(jī)并入系統(tǒng)總線，并利用 PLC 軸控制的方法，設(shè)計(jì)了一款伺服刀庫自動(dòng)換刀系統(tǒng)。通過測(cè)試證明，采用伺服刀庫的機(jī)床與原機(jī)械刀庫的機(jī)床對(duì)比，換刀時(shí)間最多可縮短 9 s( 主軸刀號(hào)為 T1，目標(biāo)刀號(hào)為 T11) ，顯著的提高了換刀效率。并且利用電動(dòng)機(jī)編碼器作為刀號(hào)反饋，舍去了原有的計(jì)數(shù)開關(guān)，避免了由于接近開關(guān)的問題導(dǎo)致亂刀的可能，提高了自動(dòng)換刀的可靠性及穩(wěn)定性。目前，該伺服刀庫控制系統(tǒng)已應(yīng)用至車間生產(chǎn)設(shè)備上。作為機(jī)床刀庫選配型號(hào)的一種可供用戶采購。

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