总线型伺服刀库在 M8．4 五轴加工中心的应用
摘要: 针对机械式斗笠刀库需要回零操作，并且在选取刀具时需要与定位、计数接近开关配合，而接近开关的性能及安装距离都会影响刀具的计数及定位，导致换刀错误的发生。为此设计了一款总线型伺服刀库系统，利用机床原有 i5 数控系统，通过增加伺服驱动器及电动机并入系统 EtherCAT 总线，利用 PLC 轴控制刀盘旋转、电动机编码器反馈刀号的控制方法，达到快速及精确自动换刀的目的。
关键词: 伺服刀库; 五轴加工中心; PLC 轴控制; EtherCAT 总线
1、机床刀库结构及控制总体设计
i5M8．4 五轴加工中心整机采用龙门动横梁式结构，床体由床身、左立柱、右立柱、横梁、滑鞍及刀库组成，刀库通过基座与床身进行连接，由于机床机械结构的特性，刀库采用台湾臻赏的斗笠式刀库，可装载 20把刀具，通过伺服电动机驱动刀盘旋转，能够高速无噪音运转，并采用主轴抓刀的方式进行刀具交换。机床整体结构如图 1 所示。
针对 i5M8．4 五轴机床与臻赏的斗笠式刀库结构特点，设计开发一种以 PLC 轴为控制核心的斗笠式伺服刀库自动换刀控制方法。斗笠式刀库的主要结构包括: 刀盘、卡爪、减速机、伺服电动机、支撑架等组成［1］; 伺服刀库自动换刀控制主要对刀盘的精准定位、就近旋转刀盘找刀、主轴刀具定向控制、机床伺服轴的联动控制，以达到快速下刀、就近找刀、精准装刀并更新刀具信息的换刀流程。
2、伺服刀库自动换刀的控制方法
通过对斗笠式刀库换刀流程的分析，设计自动换刀的整体控制方案，确定将伺服刀库配置为 PLC轴的方法，通过 PLC 轴控制伺服驱动器进而控制电动机带动减速机旋转，来实现刀盘的就近旋转及精准定位的目的。PLC 轴本质上是 CNC 的基本坐标轴，它的连接、控制、调节、显示、参数设定等都与普通 CNC 轴一样需要通过 CNC 进行，但其操作权被移交给了 PLC。通过轴的运动三要素: 运动方式，运动位移，运动速度由 PLC 给出，而不参与系统的插补令［2］。
由于刀库电动机及其伺服驱动器通过 EtherCAT的总线方式并入机床的 i5 数控系统，所以刀库自动换刀的系统控制及 PLC 输入输出点位等硬件，可直接利原 i5 数控系统提供的软 PLC 进行软件编程，以及原机床内的 PLC IO 卡达到控制伺服刀库自动换刀的目的，由此减少了再次投入硬 PLC 编辑器进行开发及控制的成本。利用总线方式控制伺服驱动器，相比其他控制方式更稳定，并且刀库控制与 CNC 可以做到实时交互，在机床联动与刀库互锁的方面，安全性及稳定性更高。
在数控系统中将刀库伺服配置为 PLC 轴控制，命名为 U 轴，其相关参数配置如图 2 所示。
3、伺服刀库控制程序设计
斗笠式刀库由于没有机械手的参与，所以与链式刀库和圆盘式刀库的换刀动作有较大的不同，主要表现在换刀动作需要主轴的配合［3］，并且换刀采用点对点的换刀方式。其换刀动作主要分为以下步骤:
( 1) Z 轴上升至参考点位置，即将主轴刀具与工件脱离。
( 2) 主轴定向至规定角度，以便刀具的键槽可放入刀库卡爪中。
( 3) A 轴回零，3 个直线轴运动至等待位，刀库门开。
( 4) 刀盘旋转，三轴运动至换刀点，主轴还刀。
( 5) 主轴松刀后 Z 轴上升，刀盘旋转至预换刀位。
( 6) Z 轴下降至换刀点，主轴夹刀。
( 7) 三轴运动至等待位，刀库门关闭，换刀结束。
在自动换刀的过程中，刀盘的旋转定位控制是关键所在。由于刀盘可以双向旋转，具体的旋转方向由当前刀位与目标刀位的距离决定。为了实现目标刀具的快速选取，需要刀盘总是以最短的路径到达目标刀位，则刀盘的旋转方向需要由 PLC 计算优化后给出。为满足上述要求，设计如图 3 所示的控制流程图。
另外，原机械式刀库在首次换刀时需要与零位开关配合，进行回零动作，以确定一号刀位的具体位置，而在选取刀具时需要与定位、计数接近开关配合，以进行刀号的加减，进而给出当前刀位的刀号［4］; 采用伺服电动机控制刀盘定位，由于电动机自带尼康 20 位绝对值编码器，无需进行回零动作，当前刀号会实时反馈至 PLC，而选取刀具的过程则是 PLC 直接将 U 轴的目标位置及速度传送至 CNC，由 CNC 规划 U 轴的具体动作进而实现刀盘的旋转及定位，所以刀具的定位更精准。而原机械刀库采用接近开关定位的方式，接近开关的性能及安装距离都会影响刀具的计数及定位，长期使用的过程中，难免会出现遗漏的情况，导致装刀错误的发生。
4、结语
本文主要通过对五轴加工中心刀库结构及自动换刀系统的分析，利用机床原有 i5 数控系统，通过增加伺服驱动器及电动机并入系统总线，并利用 PLC 轴控制的方法，设计了一款伺服刀库自动换刀系统。通过测试证明，采用伺服刀库的机床与原机械刀库的机床对比，换刀时间最多可缩短 9 s( 主轴刀号为 T1，目标刀号为 T11) ，显著的提高了换刀效率。并且利用电动机编码器作为刀号反馈，舍去了原有的计数开关，避免了由于接近开关的问题导致乱刀的可能，提高了自动换刀的可靠性及稳定性。目前，该伺服刀库控制系统已应用至车间生产设备上。作为机床刀库选配型号的一种可供用户采购。
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