基于PMAC的鏜銑加工中心自動換刀系統(tǒng)的設計*

孫建業(yè) 孫文娟 王國勛

(沈陽理工大學遼寧省高速切削工程技術研究中心，遼寧沈陽 110159)

復合鏜銑加工中心是將立式高速銑床與臥式鏜床通過共用一個工作臺結合在一起的數(shù)控機床，其結合了銑床和鏜床的特點，能夠在一次裝夾的情況下完成工件五個面的鏜孔、銑削、鉆孔、攻絲等一系列復雜工序，因其加工精度高效率高，現(xiàn)已在數(shù)控加工行業(yè)得到普遍應用。自動刀庫是實現(xiàn)加工中心機床刀具儲備與主軸刀具自動交換的重要功能部件，其儲刀能力和換刀能力等是影響加工中心性能的重要標志［1］。刀庫中一般配有大量刀具，換刀動作多，換刀過程較為復雜，因此研究一種高效的鏜銑加工中心自動換刀系統(tǒng)尤為重要。

復合鏜銑加工中心采用雙刀庫結構，高速銑采用伺服電動機來控制斗笠式刀庫的旋轉，臥式鏜床采用分度馬達帶動圓柱分度凸輪機構實現(xiàn)盤式刀庫的運動，由于雙刀庫換刀工序復雜，因此對換刀的協(xié)調(diào)性和穩(wěn)定性要求較高。本文結合PMAC和PC自身的優(yōu)勢，開發(fā)出了滿足鏜銑加工中心要求的雙刀庫自動換刀系統(tǒng)。

1 PMAC簡介

1.1PMAC 的功能

PMAC(Programmable Multi－ Axis Controller)，是由美國Delta Tau公司生產(chǎn)的多軸運動控制器。本系統(tǒng)采用的是Turbo PMAC－PCI型卡，CPU采用的是Motorola DSP56303，集成了位控板、PLC、I/O等多個功能模塊，可同時控制32軸的運動，最多可建立16個坐標系［2］。本鏜銑加工中心為雙軸組結構，鏜床Y軸采用雙電動機同步控制，共5個坐標軸，2個主軸，2個刀庫和1個手輪，共需11個通道。Delta Tau公司提供的ACC－24P為4通道擴展附件，通過 PMAC卡上的JEXP接口與ACC－8P轉接板相連，可以實現(xiàn)4個軸的擴展，擴展后的Turbo PMAC卡滿足鏜銑加工中心要求。Turbo PMAC結構圖如圖1所示。

1.2 PMAC的設置和通訊

PMAC與PC通訊前，根據(jù)系統(tǒng)要求合理設置PMAC中的參數(shù)。PMAC共提供了I、M、P、Q這4個變量:I變量主要用于卡的初始化，以及電動機、坐標系和編碼器的設定;M變量主要用于訪問PMAC的內(nèi)存地址和I/O地址;P變量是用戶自定義的全局變量，用于PMAC的編程和計算;Q變量主要用于坐標系的定義［3］。

加工中心換刀系統(tǒng)采用“NC嵌入PC式”結構，工控機為上位機，PMAC為下位機，如圖1所示伺服驅動通過ACC－8P轉接板與系統(tǒng)連接，輸入輸出模塊通過J3口與系統(tǒng)連接，連接成功后系統(tǒng)會提示選擇所需PMAC卡號，選擇完成后PMAC與PC通訊成功。

2 雙刀庫自動換刀系統(tǒng)的設計

2.1 基于PMAC的自動

基于PMAC的鏜銑加工中心數(shù)控系統(tǒng)，是通過PMAC與PC的通訊實現(xiàn)利用多軸運動控制器控制機床各軸運動，具有可視性、實時性、可靠性的特點。鏜銑加工中心為雙刀庫系統(tǒng)，鏜削銑削采用獨立刀庫，換刀均獨立自動進行(加工中心總體布局如圖2)。

本文主要是研究PMAC卡在換刀系統(tǒng)中的應用。首先，根據(jù)機床參數(shù)設置PMAC各參數(shù)，以便于實現(xiàn)PMAC與PC的正常通訊;其次，直接在PMAC自帶的執(zhí)行軟件PEWIN32PRO中編寫PLC邏輯控制程序，Turbo PMAC最多允許存儲64個PLC程序，刀庫選刀換刀的PLC程序都保存在PMAC中，換刀時直接調(diào)用換刀PLC程序，換刀過程簡潔省時。

2.2 高速銑換刀系統(tǒng)

該加工中心銑削刀庫選用斗笠式刀庫，刀庫的旋轉由伺服軸控制，系統(tǒng)采用模擬電壓控制伺服電動機的運轉，伺服電動機驅動刀盤的旋轉，實現(xiàn)系統(tǒng)選刀及換刀動作。系統(tǒng)輸入模擬電壓范圍為0～10 V，電壓的高低代表轉速的高低，電壓越高轉速越高，電壓為0 V時電動機停轉。刀庫采用日內(nèi)瓦輪式分割，分割角度精確，確保換刀時刀柄中心對主軸孔中心的位置精度［1］。如圖3所示，該斗笠式刀庫共有16把刀，其換刀方式采用主軸換刀，換刀時刀庫不動，主軸向刀庫移動，刀具軸心線與主軸軸心線重合時，主軸上下移動實現(xiàn)拔刀與插刀，完成換刀動作，換刀程序號為PLC10。

主軸換刀時是先將刀具放回刀庫，刀庫旋轉至目標刀具時，主軸再執(zhí)行換刀動作，因此換刀過程中每一刀具對應的刀套是固定不變的。系統(tǒng)利用PMAC的M變量賦地址，P變量計算，給每一刀具編號，如圖4所示，定義主軸刀具為0號刀，換刀位置即圖示1號刀的位置，定義變量P111為刀庫旋轉時應轉過的刀位數(shù)。執(zhí)行加工程序前，在 PMAC自帶的執(zhí)行軟件PEWIN32PRO中自定義M、T代碼子程序，下載并保存到PMAC中［2］。系統(tǒng)定義銑削換刀指令為M06，選刀指令為Txx，加工時一旦遇到M06Txx換刀指令，系統(tǒng)會自動先調(diào)用PMAC中選刀子程序PROG 1002，再調(diào)用換刀子程序PROG 1001 N06000，其中一條指令為command”enable plc10”(plc10為軸組1主軸換刀的PLC程序)，即是調(diào)用換刀PLC程序，調(diào)用完成后換刀過程結束。斗笠式刀庫主軸換刀流程圖如圖5所示。

2.3 鏜削部分自動換刀系統(tǒng)

加工中心鏜削刀庫采用盤式刀庫，共24把刀，分度馬達帶動圓柱分度凸輪(分度凸輪+刀盤+單桿軸承)實現(xiàn)選刀，氣缸的往復運動實現(xiàn)刀具從水平倒向垂直，換刀馬達帶動復合凸輪(弧面凸輪 +端面凸輪)實現(xiàn)刀具的交換與拔插，從而實現(xiàn)換刀的目的。刀盤旋轉采用筒型凸輪配滾子軸承模式，使刀盤運轉位置精確，且無噪聲［1］。如圖6所示，由于刀庫刀具數(shù)量比較多導致刀盤較大，因此換刀方式采用機械手換刀，機械手的任務是把加工所需刀具從刀庫換到主軸，同時在把主軸中被替換刀具放回刀庫。一般機械手有單臂式、雙臂式和軌道式，本加工中心采用的是單臂雙手式，機械手臂可180°旋轉，換刀時間短，換刀效率高，換刀程序號為PLC11。

機械手換刀最為復雜的地方是選刀過程，它不像主軸換刀一樣把刀具還回固定的刀套，系統(tǒng)采用計算機記憶式換刀方式，刀具可放回任意刀套。初始化刀庫時建立一個24把刀的模擬數(shù)據(jù)表［4］(如表1所示)，給每把刀具從1～24開始編號，同時給刀具對應的刀套編號，假設主軸為一個刀套P200，P200的值即為主軸刀具號，P201～P224為1～24個刀套，其值1～24代表1～24號刀具，P225為換刀位置即當前刀套，其值為當前刀套號，1號刀的位置設為換刀位置，P226設為計數(shù)器，刀庫每轉過換刀位置一次，計數(shù)器加1或減1。換刀前刀套編號與刀具編號相對應，經(jīng)過一次換刀后，刀套編碼與刀具編號就不再是對應關系，通過軟件編程更新數(shù)據(jù)表中刀套號對應的刀具號，下一次再換刀時，通過檢索目標刀具找到其對應的刀套號，通過刀套號來控制就近選刀時刀庫的正反轉。系統(tǒng)定義鏜削換刀指令為M16，選刀指令為T1xx，鏜削時遇到M16T1xx指令，系統(tǒng)先調(diào)用T1xx選刀子程序PROG 1012，再調(diào)用換刀子程序 PROG 1001 N16000，其中一條指令為 command”enable plc11”(plc11即為軸組2機械手換刀PLC程序)，執(zhí)行完換刀PLC后，換刀過程結束。鏜削換刀流程如圖7所示［5］。

表1 盤式刀庫模擬刀庫數(shù)據(jù)表

3 換刀過程實現(xiàn)的方法

PMAC執(zhí)行RS－274標準的NC代碼程序，可以自定義G、M、T、H代碼作為子程序，在運行加工程序前，把這些自定義的子程序以.pmc格式的文件下載并保存到PMAC中，加工時遇到這些字母系統(tǒng)會自動調(diào)用子程序，如遇到G代碼系統(tǒng)會轉向PROG 10n0，其中n為G后帶的值的百位數(shù)的數(shù)值，去掉百位的值乘以1000為程序10n0中將要跳轉的行標。如G03將會跳轉至PROG 1000 N03000。M、T、H代碼的自定義方式和G代碼相似，只不過他們的程序名分別為PROG 10n1、PROG 10n2 和 PROG 10n3［3］。本文主要介紹換刀M、T代碼的自定義程序，H刀補的定義需要在系統(tǒng)界面中設定，主界面中要設置刀補子界面，由操作者填寫各機床刀庫中的刀補號，保存后以.pmc格式的文件下載到PMAC中，加工時遇到H代碼便直接調(diào)用已保存的刀補號。

3.1 選刀子程序和換刀PLC程序

本加工中心為雙軸組結構，系統(tǒng)定義高速銑床為軸組1，鏜床為軸組2，各軸組中對應各自定義的電動機，每次更換加工工件時都要選擇對應的軸組。換刀時同時出現(xiàn)M和T指令時，系統(tǒng)默認先執(zhí)行T選刀程序再執(zhí)行M換刀程序。PMAC利用READ指令讀取T后的刀具號，并將其保存在Q120中，Q120的值代表了程序中所選的刀具號，選刀換刀子程序及PLC程序如下所示:

軸組1選刀指令Txx:

軸組1主軸換刀PLC10:

軸組2選刀指令T1xx:

軸組2機械手換刀PLC11:

3.2 實驗驗證

為了驗證本文方法的有效性和可行性，建立了基于PMAC的鏜銑加工中心自動換刀系統(tǒng)的實驗平臺，如圖8所示。采用“NC嵌入PC”開放式系統(tǒng)，工控機為上位機，PMAC為下位機，工控機系統(tǒng)采用Windows XP系統(tǒng)，PMAC卡插在工控機的插槽中，以PCI總線的方式與工控機相連，伺服驅動通過伺服轉接板ACC－8P與系統(tǒng)相連，DTC－32IN輸入模塊、DTC－32OUT輸出模塊通過PMAC的J3口與工控機相連，由PLC程序控制面板上的按鈕和電氣柜中的輸入輸出信號，通過觀察電動機運轉情況模擬換刀過程。將編好的換刀子程序及換刀PLC程序下載并保存在PMAC中，經(jīng)調(diào)試運行后測得:斗笠式刀庫換刀時間為2.3 s，盤式刀庫換刀時間為5.8 s，符合系統(tǒng)要求的換刀時間不超過2.5 s和6 s。實驗證明，此換刀系統(tǒng)有效可行，換刀時間短，運行穩(wěn)定可靠。

4 結語

經(jīng)實驗平臺調(diào)試運行后證明，本換刀系統(tǒng)換刀時間滿足系統(tǒng)要求，系統(tǒng)運行有效可靠，可根據(jù)各機床不同的性能更改PMAC各調(diào)試參數(shù)，適合其他各類加工中心雙刀庫換刀系統(tǒng)。

［1］付承云.數(shù)控功能部件選用指導手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2010.

［2］Turbo PMAC user manual［M］.DELTA TAU Data Systems，inc.2008.

［3］Turbo PMAC/PMAC2 software reference manual［M］.DELTA TAU Data Systems，Inc.2011.

［4］敖榮慶.PLC控制加工中心刀庫的選刀與CNC系統(tǒng)的通信研究［J］.航空精密制造技術，2002，38(4):24 －27.

［5］官文.鏈式刀庫及自動換刀裝置的控制與檢測系統(tǒng)研究［D］.北京:北京工業(yè)大學，2012.