基于PMC的伺服刀塔系統設計與實現*

閆 猛 王更柱 梁宏斌 王成華

(①遼寧科技大學機械工程與自動化學院，遼寧 鞍山 114051;②大連機床集團數控研究所，遼寧 大連 116620)

刀塔是數控車床的重要功能部件，其結構性能直接影響機床整體運行的可靠性、穩定性和工作效率。轉位精度是衡量數控刀塔的一項重要指標，在電動和液壓刀塔中定位是靠檢測接近開關來完成的，這種定位方式具有精度低、易損壞等缺點，已不能適應數控機床對核心功能部件的要求。伺服刀塔與傳統的液壓、電動刀塔相比具有轉位速度快、轉位精度高、結構簡單、維修方便等優點，符合當今機床朝著高速、高精度方向發展的趨勢，已廣泛地應用于國內外的中、高檔數控車床中。

1 伺服電動機的工作原理及其特性

伺服電動機又稱執行電動機，分為直流和交流伺服電動機兩類，其內部的轉子是永磁鐵，驅動器控制的U/V/W 三相電形成電磁場，轉子在此磁場的作用下轉動，同時電動機自帶的編碼器反饋信號給驅動器，驅動器根據反饋值與目標值進行比較，以此調整轉子轉動的角度。伺服電動機的特性是在無控制信號時不轉動，有效的克服了電動機的“自轉”現象，具有良好的控制性。

2 硬件系統設計

本次設計以Fanuc 0i 數控系統的PMC 為控制核心，以意大利巴拉法蒂公司生產的TB120 伺服刀架為被控對象，采用DMS08 -BF 作為伺服驅動裝置。

2.1 刀架選型

TB120 伺服刀架是意大利巴拉法蒂公司生產的TB 刀架系列的一款，該系列刀架具有高剛性、高可靠性、能承受大的切削力、接口簡單、適用于各種數控車床的特點。TB120 伺服刀架的具體參數為:刀位號8～12;慣量1.2 kgm2;液壓系統所需壓力3 ±0.3 MPa;允許最大換刀頻率800 次/h;最大允許切線扭矩1 100 N·m;最大允許軸向推壓扭矩1 200 N·m;最大允許軸向拖拉扭矩700 N·m;不平衡扭矩10 N·m。TB120 伺服刀架的部分結構如圖1 所示。

刀架換刀動作原理:刀架處于定位(即離合器閉鎖)狀況時，滾子(6)處于凸輪(7)頂點處，開閉環(8)與轉齒盤(1)及固定齒盤(9)互相嚙合實現刀架定位。

當執行換刀指令時，控制系統給電磁閥發出松開指令，液壓系統先移動活塞(3)牽動滾子座(5)轉動并帶動滾子(6)由凸輪(7)高點向低點方向移動，此時開閉環(8)會受到彈簧(2)的推壓而往后移動讓轉齒盤(1)松開。刀架松開接近開關P ×A 發出松開完成信號給控制系統，并由控制系統給伺服電動機發出啟動指令，伺服電動機(4)開始轉動徑齒輪傳動帶動轉齒盤(1)轉動至預定位置，并將到位信號反饋給控制系統，然后由控制系統發出電磁鎖緊指令，液壓系統反向移動活塞再次將滾子(6)推向凸輪(7)的高點，開閉環(8)會受到滾子(6)推壓而往前移動與轉齒盤(1)及固定齒盤(9)相互嚙合，刀架鎖緊接近開關P×B 給系統發出鎖緊完成信號，刀架完成換刀動作。

2.2 伺服驅動器選型

DMS08 -BF 伺服驅動模塊具有功能指令豐富、效率高、安裝方便等優點，它能給用戶提供多種操作模式，刀位號和報警信息能在驅動面板上顯示。該驅動模塊內置電動機專用數字處理器，以軟件的方式實現了電流環、速度環、位置環的閉環伺服控制，具備了良好的魯棒性和自適應能力，適用于對轉速、位置控制要求較高的場合。具體的電器參數:標稱電流:8 A;有效峰值電流:16 A;輸出頻率:0～400 Hz;輸入電壓;220～230(+10%/ -15%)V;電源頻率:45～60 Hz;剎車電阻:內阻47 Ω/50 Hz;電磁過濾器:內部。

刀位是PMC 進行邏輯運算的重要信息，傳統刀架的刀位是靠檢測開確定。DMS08 -BF 伺服驅動模塊的刀號位置反饋在母接頭DB26 -J1(LO.1 -LO.2 -LO.3 -LO.4)上并以二進制的形式反饋當前的刀號位置，如1 號刀位反饋到控制系統中的BCD 碼為:0001，具體的刀位反饋信息表如表1 所示。其中，“○”表示輸出高電平(+24 V)，“—”表示沒有輸出(0 V)。

表1 刀位反饋信息表

2.3 伺服刀塔的原理

伺服刀塔從總體上可以分為3 大部分，它們分別為:計算機數控系統、伺服驅動裝置和刀架，其中，CNC負責發送換刀指令，PMC 接收換刀指令后進行邏輯運算與判斷;伺服驅動器執行PMC 發出的指令并反饋信息給PMC;刀架負責安放加工所需的刀具和具體執行換刀動作。伺服刀塔的原理如圖2 所示。

3 軟件系統設計

可編程機床控制器(Programmable Machine Controller，PMC)是由FANUC 數控系統主機中PMC 控制模塊和外置的I/O 模塊單元組成，專門用于對機床的控制。在刀塔的控制中，PMC 根據CNC、伺服系統以及機床控制的需要，有機地協調它門之間的關系，以達到良好的邏輯控制效果。本次設計中用的接口信號有3 類:機床側?PMC 信號;CNC?PMC 信號;伺服驅動器?PMC 信號。

3.1 運行信號波形

運行信號時序圖說明了刀塔在自動換刀方式下換刀過程中各信號動作的情況。系統新的換刀請求與啟動指令之間應該有50 ms 的延時，啟動指令保持100 ms 以上有效。運動目標位置后，伺服驅動模塊將刀架到位信號和鎖緊信號反饋給PMC，經PMC 確認后，向CNC 發出換刀完成信號。具體各信號的運動時序如圖3，其中Mod.1 為自動換刀方式。

3.2 PMC 控制原理及其軟件流程圖

當CNC 發出換刀T 指令(TF:F0007.3=1)后，PMC 將接受到T 代碼指令數據與刀塔當前刀位數據進行比較判別，若一致時，刀塔鎖緊檢測(PX.Lock:X0001.1=1)，關斷伺服驅動器(SVF:Y0000.2=0)，完成換刀動作(T.FIN:G0005.3=1);若不一致時，根據目標刀號位置與當前刀號位置，計算出最優路徑并接通伺服驅動器發出刀塔松開指令(EV.Unlock:Y000.0=1)，待松開檢測接近開關發出松開完成信號(PX.Unlock:X0001.0=1)后，令伺服電動機轉向指令目標位置運動，目標位置到達后，伺服系統將到位信號(ST.INDEX:X0001.3=1)送給PMC，PMC 經比較確認后命令刀塔鎖緊(EV.Lock=1)，待鎖緊檢測接近開關發出鎖緊完成信號(PX.Lock:X0001.1=1)后，關閉伺服驅動器并發出T 代碼結束信號(T.FIN:G0005.3=1)送給CNC，CNC 在受到T.FIN 后，經過系統參數設定的延時，將TF 選通信號恢復“0”狀態，完成換刀動作，CNC 繼續執行下一段程序。部分信號地址如表2所示，具體的控制系統流程圖所圖4 所示。

表2 伺服刀塔部分PMC 接口信號地址表

4 結語

本文介紹了伺服刀塔的硬件和軟件系統的設計方法，該刀塔采用伺服電動機作為驅動元件，利用驅動器進行位置精確控制，不僅簡化了刀塔的機械結構，而且提高了轉位速度和精度，使其可靠性增強，有效地滿足了數控機床對功能部件的要求，廣泛應用在國內外的中、高檔數控車床上，具有較高的工程應用價值。

［1］龔仲華.FANUC-0iC 完全應用手冊［M］.北京:人民郵電出版社，2009.

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