數(shù)控車(chē)床中數(shù)控伺服刀架伺服系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

姚海明，陳志祥

YAO Hai-ming, CHEN Zhi-xiang

(南通科技投資集團(tuán)股份有限公司，南通 226011)

0 引言

數(shù)控機(jī)床正向高速、高精度方面發(fā)展，高速高精切削加工已成為金屬切削加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[1]。作為數(shù)控車(chē)床的核心部件—刀架，可保證工件通過(guò)一次裝夾自動(dòng)完成車(chē)削外圓、內(nèi)孔、端面、圓弧、螺紋、溝槽等加工工序，適用于機(jī)床、家電、汽車(chē)、齒輪、冶金等行業(yè)。

目前經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床中多數(shù)使用液壓刀架，調(diào)試和維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單。而在高檔數(shù)控機(jī)床中使用高性能伺服刀架，極大提高了數(shù)控車(chē)床高速性能和復(fù)雜零件的加工能力，但調(diào)試和控制相對(duì)復(fù)雜，本文著重對(duì)伺服刀架伺服系統(tǒng)的電氣設(shè)計(jì)和調(diào)試關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，并對(duì)調(diào)試中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行全面的歸納和總結(jié)。

1 應(yīng)用于數(shù)控車(chē)床中的刀架形式

根據(jù)刀架動(dòng)力源不同，可分為液壓刀架（Hydraulic turret）、伺服刀架(Servo turret)，即液壓刀架由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，可雙向旋轉(zhuǎn)，就近選刀，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗偏載能力強(qiáng)。伺服刀架用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，定位精度高，動(dòng)作準(zhǔn)確可靠，可雙向旋轉(zhuǎn)，速度快，平穩(wěn)。結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜；刀架可稱之為復(fù)合型刀架，此刀架主要是增加了刀具動(dòng)力功能，在各工位均可裝動(dòng)力刀具，且僅在工作位置旋轉(zhuǎn)，形式多且使用方便。可把動(dòng)力刀具配置為車(chē)床的第二主軸，再結(jié)合C軸功能，能完成復(fù)雜型面的加工。

本文將以本公司最新研發(fā)的斜床身式輪轂車(chē)LG24，數(shù)控系統(tǒng)采用FANUC 0i-TD系統(tǒng)[2]，配置高檔數(shù)控伺服刀架SM-H-32 series 00（意大利DUPLOMATIC公司制造）為例進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。刀架控制單元為DD4-10-400/20,動(dòng)力電源400V+15%-10%，直流控制電源24V。刀架為12工位，換刀時(shí)間（刀-刀）0.58s,定位精度4＂，重復(fù)定位精度1.6＂。伺服刀架伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：1電機(jī)、2熱保護(hù)開(kāi)關(guān)、3計(jì)數(shù)編碼、4刀架回零開(kāi)關(guān)、5刀架鎖緊開(kāi)關(guān)、7控制單元、8 刀架鎖緊放松電磁閥。

圖1 DUPLOMATIC伺服刀架伺服系統(tǒng)構(gòu)成原理圖

2 伺服刀架應(yīng)用中關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 伺服刀架伺服系統(tǒng)構(gòu)成及電氣設(shè)計(jì)

伺服刀架伺服系統(tǒng)由刀架本體、伺服電機(jī)、刀架控制單元、液壓系統(tǒng)、CNC等組成，刀架控制單元通過(guò)接口CN7與刀架本體相連接，獲取刀架本體上鎖緊信號(hào)、回零信號(hào)、電機(jī)熱保護(hù)監(jiān)測(cè)信號(hào)和增量脈沖信號(hào)。刀架伺服系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)中，將刀架控制單元發(fā)出的刀架鎖緊（EVLOCK）和放松信號(hào)（EVULOCK）連接到兩個(gè)中繼線圈上，以實(shí)現(xiàn)中間繼電器控制液壓系統(tǒng)中刀架鎖緊和放松電磁閥動(dòng)作。CNC通過(guò)系統(tǒng)I/O模塊與刀架控制單元輸入接口CN2、輸出接口CN1相連接。CNC內(nèi)置的PMC(順序控制器)對(duì)刀架控制單元的輸入輸出信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算和處理[3]。

2.2 伺服刀架控制原理及工作流程

控制單元提供多種運(yùn)行功能，各種功能由模式1、2、3（MODE1、MODE2、MODE3）進(jìn)行編碼識(shí)別，如刀架自動(dòng)正反轉(zhuǎn)、自動(dòng)最短路徑、手動(dòng)正反轉(zhuǎn)選刀、急停、復(fù)位、安全模式等7個(gè)功能。在伺服刀架運(yùn)行前首先設(shè)定功能模式，接著由CNC向控制單元的I/O接口CN2中PBIT01、PBIT02、PBIT04、PBIT08、PBIT16共5位刀具號(hào)，及奇偶校驗(yàn)位 PARITY進(jìn)行賦值，刀架回零時(shí)需全部賦數(shù)值0，對(duì)用戶輸入的T指令，由CNC進(jìn)行譯碼處理后，給PBIT01-PBIT16、 PARITY分別賦刀具值和奇偶校驗(yàn)碼。最后啟動(dòng)控制單元的PSTART信號(hào)并維持30ms以上，即可實(shí)現(xiàn)伺服刀架的回零、自動(dòng)換刀、手動(dòng)正反轉(zhuǎn)選刀等操作。值得注意的一點(diǎn)，伺服刀架在數(shù)控機(jī)床每次通電后，必須進(jìn)行刀架的回零操作，否則刀架將無(wú)法運(yùn)行。刀架鎖緊信號(hào)（LOCKED）常態(tài)為1，在換刀開(kāi)始和結(jié)束時(shí)將發(fā)生跳變。當(dāng)出現(xiàn)刀具索引信號(hào)（INDEXD）為1時(shí)，同時(shí)鎖緊信號(hào)發(fā)生0到1的跳變，即可判斷換刀過(guò)程已結(jié)束，自動(dòng)換刀時(shí)PMC編程流程圖如圖2所示。

圖2 PMC編程流程圖

2.3 伺服刀架調(diào)試中關(guān)鍵問(wèn)題分析

首先確保電氣連接的準(zhǔn)確與安全，其次保證在機(jī)床實(shí)際工況下，電氣連接的可靠與穩(wěn)定。刀架伺服系統(tǒng)中液壓系統(tǒng)主要控制刀架的鎖緊和放松，鎖緊壓力穩(wěn)定在4兆帕左右，液壓系統(tǒng)的好壞直接決定刀架的可靠運(yùn)行，刀架鎖緊信號(hào)（LOCKED）狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可避免刀架的誤動(dòng)作和撞刀，在PMC控制程序中，要將鎖緊信號(hào)作為關(guān)鍵控制條件來(lái)處理，一旦在工件加工過(guò)程中鎖緊信號(hào)發(fā)生變化，CNC需立即產(chǎn)生急停報(bào)警，同時(shí)切斷機(jī)床伺服軸、主軸及伺服刀架的動(dòng)力電源。刀架控制單元上有信號(hào)監(jiān)測(cè)窗口，調(diào)試中可實(shí)時(shí)了解刀架本體的各種信號(hào)狀態(tài)及刀架報(bào)警代碼。在出現(xiàn)任何報(bào)警代碼時(shí)，刀架將無(wú)法運(yùn)行，調(diào)試中必須將MODE1-MODE3賦數(shù)值零即可將報(bào)警復(fù)位，同時(shí)根據(jù)報(bào)警代碼排查故障原因，待報(bào)警原因處理完畢，才可進(jìn)行刀架的運(yùn)行功能調(diào)試。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著高檔數(shù)控車(chē)床伺服刀架的廣泛使用，對(duì)調(diào)試人員的PMC編程及電氣設(shè)計(jì)提出更高的要求，但只要掌握伺服刀架伺服系統(tǒng)的一般構(gòu)成原理和關(guān)鍵信號(hào)的處理，可提高伺服刀架使用的可靠性和穩(wěn)定性，對(duì)提升整個(gè)數(shù)控車(chē)床的性能和加工能力起到至關(guān)重要的作用。

[1]中國(guó)機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)控系統(tǒng)分會(huì).第十一屆中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)(CIMT2009)國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)展品綜述[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2009(8):34-39.

[2]王悅.數(shù)控機(jī)床Fanuc系統(tǒng)調(diào)試與操作技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

[3]Fanuc 0i-TD系統(tǒng)操作說(shuō)明書(shū)[Z].北京發(fā)那科,2008.