通用加工中心飛碟式刀庫硬件的設計與應用開發(fā)

李本紅

（佛山職業(yè)技術學院，廣東 佛山 528137）

0 引言

針對國內制造業(yè)高精度，產品工業(yè)設計復雜程度的增加，非標制造設備行業(yè)的快速發(fā)展，對非標高速加工中心的需求越來越多，可靠性要求也越來越高。高速加工中心作為數控機床的代表，其高速、高效、高精度等性能，在高精度制造業(yè)設備中占有不可替代的地位，國內許多非標數控機床廠的設計和開發(fā)能力具有國際水平或接近國際水平。然而國內許多非標設備制造企業(yè)在高速主軸，高速進給的前提下提出對高品質高速加工中心提出更高的換刀要求。本文采用臺灣東元交流伺服驅動器和臺安飛碟刀庫進行改裝高速非標刀庫，并對絕對式刀庫系統(tǒng)硬件進行了設計開發(fā)和東元伺服驅動器參數進行優(yōu)化和調整，實現了高速換刀的要求。

1 非標刀庫系統(tǒng)的設計

PYA 系列高速加工中心，是自主開發(fā)研制的高速非標加工中心機床，主要針對鋁型材非標加工，主軸轉速15000r/min，主軸額定扭矩52Nm，X 軸快速移動速度60m/min，Y、Z 軸快速移動速度48m/min，X、Y、Z 三軸進給速度36m/s2。飛碟式刀庫的結構如圖1 所示, 它是由回轉體和分布其上面的刀夾單元及伺服驅動電機等組成。刀庫伺服驅動器采用東元JSDAP-30 交流伺服驅動器，配套伺服電機采用JSMA-PSC08A7（功率為0.75kW，力矩為2.39Nm，轉速3000rpm，額定電流5A，輸出電壓0～230V，編碼器規(guī)格為17BIT 絕對編碼器），刀庫采用臺安飛碟式16 位刀庫。

圖1 刀庫結構示意圖Fig.1 Tool magazine Schematic

針對非標高速主軸和高速刀庫系統(tǒng)的要求，目前主流刀庫系統(tǒng)為盤式刀庫、鏈式刀庫和斗笠式刀庫，因采用PMC 尋刀，對刀庫原點需要進行判斷，換刀過程復雜，換刀過程需時較長，需要5s 以上的時間，有些換刀時間更達到10s 以上，因鋁型材企業(yè)的要求，換刀時間要在3s 以內，經過開發(fā)，采用伺服驅動器代替PMC驅動接觸器的方法進行開發(fā)，刀庫采用直取式飛碟式16 位或24 位刀庫，絕對式飛碟刀庫減少了還刀時間和尋刀時間，節(jié)約了換刀時間，提高了換刀效率。

2 控制系統(tǒng)設計

采用東元伺服驅動器進行刀庫系統(tǒng)設計，主要分為伺服控制器主電路設計、參數設定設定兩大塊，主電路設計包含系統(tǒng)接線總體設計和電路設計。下面分別介紹系統(tǒng)設計的具體內容。

（1）系統(tǒng)結構框圖。東元伺服驅動器可以承受較大的瞬時短路沖擊電流（低于500A），但為避免系統(tǒng)的沖擊電流對其他控制線路的沖擊和誤動作，系控制系統(tǒng)統(tǒng)設計需要設計斷路器進行短路保護，同時為避免線網過壓或過流對系統(tǒng)造成損害，線路還需要設計電源濾波器去除線網瞬時過壓等保護線路。

東元伺服驅動器可以直接驅動東元伺服電機JSDAP伺服電機，反饋采用三相編碼器進行反饋控制。對飛碟式快速刀庫的控制主要利用CN1 接口進行，主要保護系統(tǒng)的控制信號的接收和反饋控制信號（具體見伺服驅動器控制模式及參數設定），CN3 主要提供現場調試參數用。具體系統(tǒng)控制框圖見圖2 所示。

（2）系統(tǒng)主電源接線控制。東元伺服驅動控制系統(tǒng)主電源控制結構簡單，具體接線如圖3 所示。電源濾波器采用RCM-601BUZ-4，額定電壓250V，頻率50～60Hz，外部剎車電阻采用200W39Ω 瓷管電阻。R、S、T 為電源進線，通過交流接觸器MC 的主觸點引入，U、V、W為電源出線，接東元JSDAP 交流伺服電機，r、s 為東元伺服驅動器工作電源。FG 為接地點。

圖3 刀庫伺服控制系統(tǒng)主電源接線圖Fig.3 Tool magazine servo control system is the main power supply wiring diagram

（3）伺服驅動器控制連接及參數設定。由于臺安飛碟式快速刀庫輸入輸出的形式是NPN，而東元伺服系統(tǒng)識別的是PNP 形式；所以加工中心需要用電氣控制柜中的24V 繼電器進行24V 的轉換。伺服驅動器控制飛碟式刀庫的運轉信號來源于FUNAC 0I MATE MD 系統(tǒng)的I/O link 的信號。伺服驅動器與系統(tǒng)的連接如圖4 所示。伺服驅動器驅動刀庫進行選刀信號由I/O link CB104 輸出，刀庫采用16 位刀庫，選刀信號以2 進制進行選刀，4 位2 進制剛好滿足16 把刀（24=16），刀庫反饋信號輸入CB105也采用2 進制進行反饋。

圖4 東元伺服驅動器與FUNAC I/O LINK 系統(tǒng)接線Fig.4 Teco servo drives and FUNAC I/O LINK system wiring

在調試機床的刀庫原點時，如果刀庫亂刀或者位置不準的時候，先將面板模式開關撥到原點模式，執(zhí)行代碼M77，再進行急停，同時把刀庫位置用手動的方法進行扳正，再執(zhí)行代碼M79，完成以上操作后，刀庫現有位置就會成為原點位置，為刀庫提供原點位置參數。

在刀庫實際使用中還要對東元JSDAP 伺服驅動器重點參數進行設定，參數設定完必須使伺服驅動系統(tǒng)重新上電，因為系統(tǒng)重啟后才能使參數生效。具體幾個重點參數設定如下：

Cn29=1：恢復出廠設置，關電再上電；Cn01=9：刀庫模式（參數設置后需重新設置其他參數）；Cn25=20：機床慣量（按照臺安飛碟式刀庫參數要求設定）；qn501=40：速度增益；qn502=100：速度積分時間；qn505=40：位置增益；dn05=1：點動正反轉；201=50：點動速度設定；Pn324=16：刀盤數量；Pn326=80：減速比（出廠設定值為128）；Pn327=2800：換刀速度；Pn313=50：換刀加減速。

3 結論

本刀庫系統(tǒng)設計開發(fā)后, 已經在PYA 系列數控加工中心上應用，達到了合作開發(fā)設計目的，換刀速度與國外同類高速加工中心產品的水平相當，其性能可靠，換刀過程平穩(wěn)，換刀過程無過沖，運動平衡無沖擊，使得告訴加工中心的加工速度有了很大的提升，提升了國產化率和自主開發(fā)的能力指數，降低了生產成本，對加工中心刀庫設計有一定參考價值, 值得推廣。

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