基于開放式數(shù)控機床的智能換刀系統(tǒng)研究

宋明偉 史文雅 張欣 王國章 易祥云 賈衛(wèi)濤

摘要：基于PLC構(gòu)建傳統(tǒng)自動換刀系統(tǒng)，是通過PLC程序?qū)Φ毒叩倪x擇、換刀時機的確定等進(jìn)行控制的系統(tǒng)。其系統(tǒng)主要是依靠編程人員實現(xiàn)的一種自動換刀，該系統(tǒng)不僅導(dǎo)致機床工作的效率降低，甚至還可能會危及到數(shù)控機床以及相關(guān)操作人員自身的安全。因此，文章對開放式數(shù)控機床的智能換刀系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并對智能換刀系統(tǒng)的硬件進(jìn)行了簡單的分析，從而提出了基于開放式數(shù)控機床的智能換刀系統(tǒng)設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：智能換刀;開放式數(shù)控機床;智能系統(tǒng);研究;設(shè)計

前言：為了進(jìn)一步推動傳統(tǒng)加工制造業(yè)與智能技術(shù)兩者之間的深度融合，隨著加工制造過程當(dāng)中對相關(guān)技術(shù)的要求不斷提升，及時、高效且準(zhǔn)確的智能換刀系統(tǒng)成為了當(dāng)下需要研究的方向，也是現(xiàn)代智能化加工企業(yè)的必然選擇。因此，如何有效的處理刀具破損、斷裂及磨損等對企業(yè)造成的問題，實現(xiàn)數(shù)控加工過程中智能換刀的問題，是現(xiàn)階段有待解決的事情。

一、基于開放式數(shù)控機床的智能換刀系統(tǒng)設(shè)計

首先，基于開放式數(shù)控機床進(jìn)行設(shè)計的智能換刀系統(tǒng)，是通過采用層級式的方式進(jìn)行設(shè)計而成。結(jié)合相應(yīng)的硬件控制設(shè)備驅(qū)動模塊作為智能換刀系統(tǒng)的底層，將其換刀的控制程序作為中間層等。因此，所設(shè)計出來的智能換刀系統(tǒng)的硬件控制設(shè)備的底層驅(qū)動程序內(nèi)核，基于開放式數(shù)控機床系統(tǒng)，在驅(qū)動硬件控制設(shè)備下，可以進(jìn)行實時環(huán)境工作。

（一）智能換刀系統(tǒng)硬件體系的結(jié)構(gòu)

1、基于開放式數(shù)控機床系統(tǒng)層級體系以及其換刀功能部件

基于開放式數(shù)控機床的智能換刀系統(tǒng)設(shè)計而成的具備決策能力、感知能力以及控制功能的智能化開放式數(shù)控系統(tǒng)，是基于五層理論信息物理系統(tǒng)，所實現(xiàn)的智能化機床節(jié)點信息物理系統(tǒng)。同時，還對數(shù)控機床加工的過程與智能化制造過程的機床狀態(tài)上，進(jìn)行了層級劃分。在數(shù)控機床層次化運行與管理模型的構(gòu)建過程中，將數(shù)控機床的加工環(huán)境、加工參數(shù)以及監(jiān)測的信息、線上智能決策信息、計算結(jié)果、自修復(fù)信息與故障診斷等方面進(jìn)行了有機融合，從而實現(xiàn)數(shù)控機床系統(tǒng)的智能化。而利用RTX所提供的進(jìn)程間通訊模式，對數(shù)控通信進(jìn)行處理。因此，數(shù)控機床的運動控制動態(tài)行為，用通用層級式有限狀態(tài)機模型進(jìn)行表示的話，具體模型見下圖表1。所以，購進(jìn)出來的智能化數(shù)控系統(tǒng)層級架構(gòu)，可以將其模塊分為管理層、執(zhí)行層、操作層等是3個層次，最后利用FSM對機床實現(xiàn)自動配置、自動調(diào)整與自動優(yōu)化。

2、智能換刀系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

此外，基于開放式數(shù)控機床系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)中，其內(nèi)部安裝的不同功能類型的PCI 板卡工業(yè)控制計算機主體，具體工程機構(gòu)見圖表2。當(dāng)智能換刀系統(tǒng)在工作過程，板卡會通過在工控機上面的PCI卡槽和工控機記進(jìn)行相連，而控制板卡接線端子會與數(shù)控機床之間相互連接，最后通過電纜線，對信號的輸入與控制信號的輸出進(jìn)行實時采集。當(dāng)智能換刀系統(tǒng)在工作的過程當(dāng)中，可以通過上位機軟件的編程實現(xiàn)，工控機和已經(jīng)安裝的板卡初始化、數(shù)據(jù)采集以及控制信號的發(fā)送。

同時，基于開放式數(shù)控機床的智能換刀系統(tǒng)的換刀部分功能部件，主要包括了刀庫電機、ATC電機以及PCI控制板卡和PNP計數(shù)傳感器等各方面相信的組件。具體見下圖表3。而PCI控制板卡作為該智能換刀系統(tǒng)的控制部分的核心部件，當(dāng)數(shù)控機床在RTX實時環(huán)境下工作時，不同的控制板卡對數(shù)控機床會分別實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能與邏輯功能控制。

（二）智能換刀系統(tǒng)的硬件搭建

首先，數(shù)控機床的智能換刀系統(tǒng)硬件方式，是基于開放式數(shù)控機床系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)，利用控制板卡偽五軸機床刀庫電機、ATC電機等相關(guān)的硬件控制設(shè)備進(jìn)行搭建而成的系統(tǒng)。同時，智能換刀系統(tǒng)的搭建，不僅實現(xiàn)了控制板卡與五軸加工中心換刀系統(tǒng)刀庫、換刀機械手臂等各方面部件電路之間的互相連接，還在工控機內(nèi)部的板卡安裝后，促使外圍控制電路中板卡輸入、輸出接線端子和加工中心的換刀控制電路繼電器等多方設(shè)備之間進(jìn)行了連接，從而使得智能換刀系統(tǒng)的硬件控制板卡和加工中心的換刀系統(tǒng)兩者至今的護理連接得以實現(xiàn)。

其次，當(dāng)系統(tǒng)中的PCI控制板卡接收選刀信號后，經(jīng)過相應(yīng)的運算處理之后，刀庫電機就會自動驅(qū)動刀庫進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運動，最后，對經(jīng)過計數(shù)傳感器將設(shè)備中的信號反饋與控制板卡。而控制板卡的功能就是對系統(tǒng)的信號邏輯關(guān)系進(jìn)行處理，以此來控制刀庫電機的啟動與停止。

二、智能換刀系統(tǒng)的整體控制方案

（一）智能換刀系統(tǒng)工作過程分析

結(jié)合開放式數(shù)控機床的換刀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，和數(shù)控系統(tǒng)層級體系進(jìn)行設(shè)計的智能換刀系統(tǒng)整體控制方案，在智能換刀過程中，刀庫的刀具經(jīng)過監(jiān)測傳感器對刀具數(shù)據(jù)狀態(tài)進(jìn)行了實時反饋。如果，當(dāng)?shù)毒咴诩庸み^程中無法滿足加工的需求時，開放式數(shù)控機床系統(tǒng)的加工主程序就會進(jìn)行智能換刀。并在切削加工過程進(jìn)程掛起時，實施智能換刀系統(tǒng)子進(jìn)程，讓智能換刀系統(tǒng)對刀具進(jìn)行智能化決策選擇。最后將結(jié)果，發(fā)送到執(zhí)行機構(gòu)的控制程序上以此來實現(xiàn)換刀指令。不過具體的刀具換刀需求需要由實際情況而定。當(dāng)?shù)毒邠Q刀完成后，主進(jìn)程中斷將繼續(xù)實施切削加工[1]。具體過程見下圖表4。

（二）系統(tǒng)分層控制設(shè)計方案

利用開放式數(shù)控系統(tǒng)層級構(gòu)建的理論模型的系統(tǒng)分層控制設(shè)計方案具體狀況如下：

1、底層硬件驅(qū)動

該部分系統(tǒng)控制，主要是針對微軟系統(tǒng)中不同的硬件設(shè)備的不兼容和地址沖突問題，構(gòu)建的底層硬件驅(qū)動智能換刀系統(tǒng)工作環(huán)境，以此來實現(xiàn)數(shù)控機床的工作。

2、中間層執(zhí)行機構(gòu)

該部分在對換刀過程運動進(jìn)行控制時，實現(xiàn)對設(shè)備中的刀庫電機轉(zhuǎn)動、電磁閥動作何換刀機械手動作等方面的控制。

3、上層智能決策

該層級，通過對智能算法模型的有效融合，使得數(shù)控機床在加工過程當(dāng)中，結(jié)合相應(yīng)刀具的參數(shù)進(jìn)行計算，并在刀庫中選取可替換的刀具。

結(jié)語：

綜上所述，文章簡單的闡述了傳統(tǒng)PLC控制模式下的數(shù)控機床換刀裝置系統(tǒng)，并給出了基于開放式數(shù)控機床的智能換刀系統(tǒng)研究方希，同時針對其控制設(shè)計進(jìn)行了理論分析，從而實現(xiàn)了數(shù)控機床建工過程中的智能換刀功能。

參考文獻(xiàn)：

[1]李宏宇.基于開放式數(shù)控的智能換刀系統(tǒng)研究[D].黑龍江：哈爾濱理工大學(xué)，2019.

課題：2020年邢臺市市級科技計劃自籌經(jīng)費課題《基于開放式數(shù)控機床的智能換刀系統(tǒng)研究》【課題編號】：2020ZC055。