數(shù)控機(jī)床微小型刀庫(kù)控制系統(tǒng)研究

盛艷君，張黎燕

SHENG Yan-jun1, ZHANG Li-yan2

（1.新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新鄉(xiāng) 453006；2.河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院，鄭州 451191）

0 引言

隨若數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域技術(shù)的不斷發(fā)展，新式的加工中心都有其自動(dòng)的換刀系統(tǒng)，同時(shí)這種自動(dòng)換刀刀庫(kù)系統(tǒng)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。它不僅可以增加加工效率，減少產(chǎn)品的制造時(shí)間，而且能大幅度提高加工精度，并且可以構(gòu)建柔性加工系統(tǒng)。其水平的飛速發(fā)展對(duì)機(jī)床的刀庫(kù)控制系統(tǒng)提出了全新的要求[1]：

1）多對(duì)象全面控制。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀控制系統(tǒng)的機(jī)床有車(chē)床、銑床、磨床等，怎樣同時(shí)實(shí)現(xiàn)多對(duì)象全面控制是首先需要解決的問(wèn)題。

2）全系統(tǒng)復(fù)雜控制。除了多對(duì)象全面控制，對(duì)于具體的對(duì)象可能還會(huì)存在不同需求，這就提高了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。

3）全周期靈活控制。在刀具管理的全生命控制周期內(nèi)，需要針對(duì)不同的具體情況使用不同的方法即實(shí)現(xiàn)靈活的控制策略。

4）全生命可靠控制。由于系統(tǒng)的靈活性和復(fù)雜性的激增，使得可靠性要求成為了重中之重，高可靠性決定了高質(zhì)量。

5）全面的豐富配置。不同于傳統(tǒng)的機(jī)床控制系統(tǒng)，自動(dòng)刀庫(kù)控制系統(tǒng)要求具有豐富的配置，可以實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用功能。

數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)換刀刀庫(kù)是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工序連續(xù)加工的重要裝置，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是保證數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)正常加工功能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文借鑒已經(jīng)在機(jī)床領(lǐng)域成熟應(yīng)用的自動(dòng)換刀刀庫(kù)及控制系統(tǒng)，通過(guò)分析實(shí)際需求，確定符合要求的自動(dòng)換刀系統(tǒng)總體方案。此方案具有換刀動(dòng)作少，換刀時(shí)間短，換刀重復(fù)定位精度高，系統(tǒng)長(zhǎng)壽命和高可靠的特點(diǎn)，對(duì)各行業(yè)各種機(jī)床數(shù)控改造和功能擴(kuò)展提供參考和借鑒。

1 自動(dòng)刀庫(kù)設(shè)計(jì)方案

自動(dòng)換刀系統(tǒng)一般情況由刀庫(kù)、機(jī)械手和驅(qū)動(dòng)裝置組成。其具體組成及功能如下。

1.1 刀庫(kù)的功能

刀庫(kù)的功能是提供刀具可存儲(chǔ)的空間，并且可以隨時(shí)把需要用到的刀具準(zhǔn)確地送到需要換刀的位置，使換刀機(jī)械手可以隨時(shí)完成刀具的選擇性互換。刀具的種類(lèi)有很多，例如轉(zhuǎn)塔式刀庫(kù)、盤(pán)式刀庫(kù)、鏈?zhǔn)降稁?kù)、直線刀庫(kù)等，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和容刀數(shù)量要根據(jù)實(shí)際加工情況來(lái)確定。常見(jiàn)的刀庫(kù)如下[2]。

1.1.1 轉(zhuǎn)塔式刀庫(kù)

以磚塔頭為區(qū)分要素，轉(zhuǎn)塔式刀庫(kù)分為水平轉(zhuǎn)塔頭和垂直轉(zhuǎn)塔頭兩種。轉(zhuǎn)塔式刀庫(kù)的特點(diǎn)是由于受到空間的限制所有的刀具都必須固定在同一個(gè)轉(zhuǎn)塔上，同時(shí)因?yàn)闆](méi)有換刀臂，其可以使用的刀具數(shù)量有限，通常為5-9把。多應(yīng)用在功能簡(jiǎn)單的機(jī)床領(lǐng)域，如簡(jiǎn)易車(chē)削中心。轉(zhuǎn)塔式刀庫(kù)的缺點(diǎn)是當(dāng)要使用的刀具數(shù)量較多時(shí)，必須將之前所有的刀具拆除，再裝上全新的刀具，而且其過(guò)程不只是拆卸刀具，而是必須要把刀具和卡具一起拆卸，十分的復(fù)雜，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

1.1.2 盤(pán)式刀庫(kù)

以盤(pán)式刀庫(kù)中刀具沿盤(pán)面的排列方式為區(qū)分要素，分為垂直排列、徑向排列和銳角排列三種。盤(pán)式刀庫(kù)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，功能較多，但同時(shí)缺點(diǎn)也顯而見(jiàn)，由于刀具呈單環(huán)排列狀態(tài)，其空間可重復(fù)使用率較低。如果要增加刀具的含刀數(shù)量，就必須增大刀庫(kù)的體積，與此同時(shí)，整體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也隨之提高，帶來(lái)的影響是選刀取刀的消耗時(shí)間增長(zhǎng)。所以單環(huán)排列的盤(pán)式刀庫(kù)的含刀數(shù)里一般不多于30把。與單環(huán)排列對(duì)應(yīng)，多環(huán)排列的刀庫(kù)其可空間重復(fù)使用率高，但是缺點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，僅適用于機(jī)床空間較緊湊而刀具數(shù)量眾多的情況。綜合優(yōu)化的結(jié)構(gòu)是雙盤(pán)式結(jié)構(gòu)，它由兩個(gè)含刀數(shù)量較小的刀庫(kù)組合而成，分布于機(jī)床主軸的兩側(cè)，特點(diǎn)足布局緊密，含刀數(shù)量多于單環(huán)排列刀庫(kù)，一般在中型復(fù)合加工機(jī)床上應(yīng)用較多。

1.1.3 鏈?zhǔn)降稁?kù)

以鏈環(huán)形式為區(qū)分要素，分為包括單環(huán)鏈和多環(huán)鏈兩種。鏈?zhǔn)降稁?kù)的特點(diǎn)是刀庫(kù)可容刀具數(shù)量最大，所需要提供的空間可以很小，空間利用率高，一般其含刀數(shù)量為40-130把。如果要增加含刀數(shù)量，只需要增加鏈條長(zhǎng)度就可以實(shí)現(xiàn)，由于不需要增加直徑和體積，所以其運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。

1.1.4 直線式刀庫(kù)

直線式刀庫(kù)的特點(diǎn)是刀具呈單行排列，容刀數(shù)量少，多用于小型的數(shù)控車(chē)床。由于其刀庫(kù)不可移動(dòng)，因此不需要機(jī)械手，換刀的全部過(guò)程單靠機(jī)床主軸來(lái)進(jìn)行。但是由于空間和功能的限制，直線式刀庫(kù)僅適用于功能簡(jiǎn)單的機(jī)床，如簡(jiǎn)單的車(chē)削中心。

1.2 機(jī)械手的功能

當(dāng)?shù)稁?kù)中儲(chǔ)存的刀具數(shù)量龐大，種類(lèi)繁多時(shí)，需要在離主軸較近的位置設(shè)計(jì)換刀機(jī)構(gòu)來(lái)克服整體移動(dòng)不易的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)刀具和卡具的裝卸以及在主軸與刀庫(kù)之間的刀具的傳遞工作。其主要機(jī)構(gòu)包含送刀臂、擺刀站和換刀臂，以上的所有結(jié)構(gòu)組成統(tǒng)稱(chēng)為機(jī)械手，常見(jiàn)的種類(lèi)有以下3種：

1）單臂式：其特點(diǎn)是有且僅有一個(gè)換刀臂及一個(gè)抓刀手。全部動(dòng)作均為單臂完成，機(jī)構(gòu)動(dòng)作復(fù)雜，換刀過(guò)程冗長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易，主要應(yīng)用于刀庫(kù)的軸線與機(jī)床主軸軸線呈90°的情況。

2）雙臂式：其特點(diǎn)是有且僅有一個(gè)換刀臂，但其兩端各有一個(gè)抓刀手。其動(dòng)作非常復(fù)雜，動(dòng)作特點(diǎn)是機(jī)械手同時(shí)抓取機(jī)床電主軸和所需要替換的刀具，之后同時(shí)旋轉(zhuǎn)半周，完成交并工作。其全程運(yùn)動(dòng)時(shí)間較短，應(yīng)用較為廣泛，主要應(yīng)用于刀庫(kù)的軸線與機(jī)床主軸軸線呈0°的情況。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。

3）復(fù)雜式：其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，行程很短。主要結(jié)構(gòu)由送刀臂、擺刀站和換刀臂組成。首先由送刀臂負(fù)責(zé)將刀具從刀庫(kù)中取出然后傳遞到擺刀站，之后擺刀站負(fù)責(zé)將刀具傳遞到需要?jiǎng)幼鞯奈恢?，換刀臂負(fù)責(zé)最終換刀動(dòng)作實(shí)現(xiàn)。由于其結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，各部分需要在設(shè)計(jì)的時(shí)候就必須精確布局。但是優(yōu)點(diǎn)也顯而易見(jiàn)，即其換刀時(shí)間最短，多適用于機(jī)床體積較大，行程距離很遠(yuǎn)的機(jī)床。

1.3 驅(qū)動(dòng)裝置的功能

驅(qū)動(dòng)裝置是用來(lái)實(shí)現(xiàn)刀庫(kù)與機(jī)械手并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)的功能裝置，其主要機(jī)構(gòu)包含步進(jìn)電機(jī)，液壓及氣液混合機(jī)構(gòu)結(jié)合凸輪組合而成。在機(jī)械手將刀庫(kù)里的新刀將主軸上的舊刀替換下來(lái)的過(guò)程中，動(dòng)力提供及動(dòng)作完成由驅(qū)動(dòng)裝置保證，驅(qū)動(dòng)裝置的種類(lèi)主要有以下三種：

1）液壓裝置驅(qū)動(dòng)，用接近傳感器進(jìn)行檢測(cè)。其特點(diǎn)是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)雖然多，但是影響其精度，精度較低。

2）交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，結(jié)合凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)。其特點(diǎn)是換刀動(dòng)作兩關(guān)穩(wěn)定，可靠性高。

3）伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用傳感器形成閉環(huán)方式檢測(cè)，其特點(diǎn)是換刀速度快，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)較少，與液壓裝置相比定位精度明顯提高，但是隨之其成本也相應(yīng)上升。

1.4 微小型自動(dòng)刀庫(kù)設(shè)計(jì)

1.4.1 卡爪設(shè)計(jì)

根據(jù)夾持方式的不同可以分為固定卡爪、單卡爪、雙卡爪、彈簧卡爪和動(dòng)力卡爪等。固定卡爪是指夾持部位固定；單卡爪是指夾持一端有彈簧；雙卡爪是指夾持兩端有彈簧；活動(dòng)爪是指卡爪可以張開(kāi)；彈簧卡爪是指彈簧具備夾緊力；動(dòng)力卡爪是指氣液混合機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力。

1.4.2 刀柄選擇與設(shè)計(jì)

自動(dòng)換刀刀庫(kù)的工作質(zhì)量只要通過(guò)兩個(gè)因素體現(xiàn)：分別是換刀響應(yīng)和故障響應(yīng)，其影響的根源因素就是刀柄的選擇與設(shè)計(jì)。本研究采用的是ISO刀柄，其與主軸連接面的斜度為7∶24的錐面。由于市面上常用的刀柄規(guī)格很多，例如ISO標(biāo)準(zhǔn)42號(hào)、43號(hào)、45號(hào)可供選擇。除了刀柄的型號(hào)，還必須仔細(xì)核實(shí)拉緊刀柄的規(guī)格，雖然可供選擇的規(guī)格眾多，標(biāo)準(zhǔn)也遍布全世界，例如美國(guó)，加拿大，德國(guó)，韓國(guó)，但是都必須在設(shè)計(jì)階段就結(jié)合實(shí)際使用需求來(lái)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，定制刀柄的拉緊規(guī)格。

1.4.3 刀庫(kù)總體設(shè)計(jì)

結(jié)合以上因索，本研究決定采用兩列盤(pán)式刀庫(kù)的方案，刀具總數(shù)為40，沒(méi)有設(shè)計(jì)機(jī)械手，采用隨機(jī)直接換刀方式，機(jī)床上新刀具與被替換刀具的所有信息均存儲(chǔ)在PMC形成的存儲(chǔ)單元中[3,4]，具體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 刀庫(kù)總體設(shè)計(jì)方案

刀庫(kù)系統(tǒng)由接近傳感器構(gòu)成閉環(huán)反饋系統(tǒng)，其具體運(yùn)動(dòng)位置通過(guò)編碼器進(jìn)行坐標(biāo)運(yùn)算而確定。整體控制系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 整體控制系統(tǒng)示意圖

2 自動(dòng)刀庫(kù)控制系統(tǒng)方案

2.1 硬件接口設(shè)計(jì)

在自動(dòng)刀庫(kù)控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮控制系統(tǒng)與模塊單元之間信號(hào)實(shí)時(shí)交互實(shí)施的具體方式，根據(jù)基礎(chǔ)原理進(jìn)行分類(lèi)主要有以下3種：1）標(biāo)準(zhǔn)I/O連接接口；2）通用串口連接；3）工業(yè)BUS總線連接。根據(jù)實(shí)際情況，本研究采用的是基于標(biāo)準(zhǔn)I/O連接接口的方式，具體功能示意圖如圖3所示，所有的信息都通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)I/O連接接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞與交互[5～7]。

圖3 具體功能示意圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件主要包括機(jī)床功能和自動(dòng)換刀刀庫(kù)功能兩個(gè)模塊[8]。

2.2.1 機(jī)床功能

與常用的自動(dòng)換刀刀庫(kù)的數(shù)控系統(tǒng)相比，機(jī)床主要功能是指編譯代碼與解析代碼兩部分工作。首先通過(guò)PMC對(duì)數(shù)控指令進(jìn)行編譯，為后續(xù)的解析打基礎(chǔ)。與常用的自動(dòng)換刀刀庫(kù)所不同，本研究系統(tǒng)通過(guò)合適的手段，將完成PMC后的刀具代號(hào)傳遞給選刀控制器，所以需要對(duì)編譯后的刀具代號(hào)的代碼重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。其次機(jī)床功能的第二個(gè)關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)點(diǎn)為保證換刀動(dòng)作程序的連貫性和自鎖保護(hù)性。

2.2.2 自動(dòng)換刀刀庫(kù)功能

功能實(shí)現(xiàn)主要依靠自動(dòng)換刀刀庫(kù)控制器。其主要功能如下所示：將PMC代碼編譯；完成所有控制命令；刀補(bǔ)動(dòng)作精度高；動(dòng)作速度自調(diào)節(jié)；動(dòng)作路徑自動(dòng)優(yōu)化。所有功能的實(shí)施都內(nèi)置在自動(dòng)換刀刀庫(kù)控制器的軟件程序中。

2.3 輔助系統(tǒng)

輔助系統(tǒng)含有運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌、刀庫(kù)蓋板和刀庫(kù)定位傳感器。刀庫(kù)可以在運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌上自由滑動(dòng)；刀庫(kù)蓋板可以防止自動(dòng)換刀過(guò)程中切屑或者加工冷卻液及其他物質(zhì)污染產(chǎn)品；刀庫(kù)定位傳感器可以實(shí)時(shí)獲得所有位置信息。自動(dòng)換刀刀庫(kù)的氣動(dòng)流程示意圖如圖4所示。

圖4 氣動(dòng)流程示意圖

3 結(jié)論

本研究所設(shè)計(jì)的微小型自動(dòng)換刀刀庫(kù)控制系統(tǒng)可以很好的適用于數(shù)控機(jī)床，應(yīng)用廣泛。該系統(tǒng)不僅具備通用刀庫(kù)的基本功能，而且其控制十分精確，重復(fù)定位精度高，具有閉環(huán)反饋環(huán)節(jié)，系統(tǒng)可靠性高，擴(kuò)展能力強(qiáng)。調(diào)試結(jié)果表明，本研究設(shè)計(jì)初期預(yù)計(jì)的功能全部得到了實(shí)現(xiàn)。

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