基于840DSL系統刀具管理的帶傳輸刀位的伺服刀庫應用

王 恒，任德勇，張 謙

（漢川數控機床股份公司技術中心，陜西漢中723000）

基于840DSL系統刀具管理的帶傳輸刀位的伺服刀庫應用

王 恒，任德勇，張 謙

（漢川數控機床股份公司技術中心，陜西漢中723000）

基于840DSL系統的刀具管理功能，介紹了對帶有傳輸刀位的伺服刀庫；使用該系統的分度軸、PLC軸和模態旋轉軸功能實現刀庫控制的一種方法，描述了刀庫配置生效后PLC程序實現伺服刀庫手動旋轉和自動備刀到傳輸刀位的過程。

伺服刀庫；分度軸；模態擴展的旋轉軸；FC6；FC18；傳輸刀位

1 引言

隨著加工中心機床對換刀快速和準確性要求的提高，機床刀庫廠商對刀庫的結構也做了更多更復雜的改進以滿足這種更高的需求，采用伺服電機對刀庫旋轉定位，增加刀具傳輸裝置以降低換刀機構的等待時間，如圖1所示的刀庫，即為加工中心機床上使用的帶刀具傳輸裝置并由伺服電機驅動的刀庫。840DSL系統具有完善、強大和高效的刀具管理功能，充分合理地應用840DSL系統的管理功能給機床刀庫控制帶來了很大的便捷。

2 刀庫結構及其換刀原理

刀庫的安裝結構如圖1所示，刀庫由以下幾部分組成。

圖1 刀庫結構圖

（1）刀庫電機采用西門子伺服電機（電機編碼器為絕對編碼器）。刀庫傳動減速比m＝120；刀庫刀具容量為N＝60；刀庫相鄰刀套的轉動時間t＝0.4s；

（2）刀庫的機械手1為換刀機構，機械手2為刀具傳輸機構；

（3）搖擺副刀套用于刀具的傳輸；

（4）刀庫卸刀油缸。

通過刀庫電機的正反轉實現刀具的選擇，由刀具傳輸機械手2的左右、上下和旋轉移動將刀具裝入搖擺副刀套來完成備刀。再由主軸換刀機械手1的旋轉將新刀具裝入主軸，舊刀具還回副刀套來完成機床的自動換刀。卸刀油缸用于刀庫手動裝卸刀。

3 刀庫配置

依據刀庫結構及其換刀工作原理，該刀庫采用固定換刀。刀具管理配置1個60刀位的真實刀庫，1個6刀位的緩沖區刀庫，1個2刀位的裝載站刀庫。840DSL系統刀具管理的配置文件中添加如下內容：

系統刀具管理功能激活并且配置文件運行后，刀具表如圖2所示。

圖2 刀具表

4 副刀套換刀控制

副刀套作為刀庫換刀過程中的刀具中轉點，不但要傳輸來自刀庫的新刀具，還要傳輸來自主軸歸還的舊刀具。機床在執行換刀時，將新刀具備在刀庫當前位置，舊刀具歸還到刀庫目標位置，才算一次換刀完成，中間刀具通過移動刀臂的移動可由PLC很簡單地執行。因此，機床換刀的時候，既要等待新刀從刀庫到副刀套，又要等待舊刀從副刀套到刀庫，很顯然，這個過程與現在機床加工的高效和快速是不符的。

為此，應用840DSL系統刀具管理的傳輸轉換刀位，將機床刀庫的副刀套定義為緩沖區轉換刀位，并將其綁定給刀庫和主軸，刀具允許在緩沖區刀庫搜索。

機床換刀時，新刀具進入副刀套為備刀完成，舊刀具進入副刀套即換刀完成。將刀具從刀庫到副刀套的一系列動作在預選刀進行，從副刀套到刀庫的一系列動作與主軸后續動作同步進行。

相對于主軸換刀，定義刀庫和副刀套之間的刀具移動為副刀套換刀。副刀套換刀的目的就是有主軸換刀指令時，判斷副刀套中有無刀具，是不是新刀具，換刀指令要向副刀套裝入刀具，將副刀套中的刀具移出。主軸換刀指令類型有：①還刀；②抓新刀；③交換刀；④固定換刀。副刀套的狀態分為三種情況：①無刀具；②有刀具，不是新刀具；③有刀具并且是新刀具。副刀套狀態結合換刀指令類型，可歸納總結出副刀套換刀的指令如表1所示。PLC程序對刀具傳輸機械手2的移動和旋轉進行控制，只需按照副刀套換刀指令表，分5種情況進行控制，并具體的PLC編程，還可充分使用跳轉指令，簡化PLC程序，減少同樣的動作，重復編程，更好地減少系統資源占用。和主軸換刀一樣，PLC控制刀臂的實際動作，刀具管理應答相應步驟的刀具改變。

表1 副刀套換刀的指令

副刀套換刀采用刀具移動異步應答，異步應答便于預選刀和副刀套還刀，同時主軸能夠執行其它操作而不受其影響。刀具移動的目標刀庫號、刀位號、源刀庫號、刀位號見表1。PLC程序應為副刀套（9998，4）設計一個掉電保持的整數數據，用于記錄副刀套中的刀具。

表2 副刀套換刀異步應答刀具移動表

例如：刀具由副刀套到卡抓4的異步應答

5 刀庫轉動／選刀控制

由于刀庫電機采用的是伺服電機，故而刀庫需設置為一個NC控制軸，該軸的配置方法、回零操作等與其它NC軸相同。眾所周知，刀庫旋轉一周后，回到初始刀位，而且旋轉停止后，必須要在一個完整的刀套處。鑒于刀庫的旋轉特點，該系統的模態旋轉軸和等分分度軸功能為刀庫軸提供了很完美的解決方案。

通常模態旋轉軸是以一圈為360°來定義的（系統默認模態范圍是360°），對于刀庫軸如若將模態范圍亦設置為360°，則軸的旋轉速度V為：

其中：N為刀庫旋轉一圈的刀位數，t為刀庫相鄰刀套的轉動時間。

電機的旋轉速度V1為：

其中：N為刀庫旋轉一圈的刀位數，t為刀庫相鄰刀套的轉動時間，m為軸的傳動減速比。

由式（1）和式（2）可計算出圖1所示刀庫軸的旋轉速度V為2.5rpm，電機的旋轉速度V1為300rpm。刀庫軸實際旋轉時將會很慢，系統診斷電機轉速卻又正確。很顯然，刀庫減速比是不會錯的，因為這是刀庫性能參數。由刀庫結構圖1中電機主動輪與刀庫的連接，不難看出電機主動輪每轉一圈，刀庫并不是也轉一圈，而是轉動了10個刀套。參考西840DSL系統參數說明，模態旋轉范圍可以是360°的整數倍，故而，對模態旋轉范圍進行360°擴展，將刀庫電機主動輪旋轉一圈的角度定義為360°，則刀庫旋轉一周的模態角度A為：

其中：N為刀庫旋轉一圈的刀位數，n為刀庫主動輪旋轉一圈的刀位數。

式（1）和式（2）中刀庫旋轉一圈的刀位數N應調整為主動輪旋轉一圈的刀位數n。根據上述方案，結構圖1所示刀庫的模態旋轉軸設置和等分分度設置如下。

這樣設置后，在手動方式下，按下刀庫（軸）移動鍵，刀庫將按選擇的方向轉動，直到松開移動鍵而停在下一個完整的刀套處。

在自動或者MDI方式下，刀庫旋轉的目的主要是為了T代碼選刀，需要將編程的T代碼號轉換為刀庫軸的具體位置，此時刀庫軸請求為PLC軸，借助系統FC 18：SpinCtrl主軸控制功能通過PLC來控制軸的轉動速度和位置。

由于系統刀具管理源刀位號DB72.DBW26和舊刀位號DB72.DBW30數據類型為整數，而FC 18：SpinCtrl主軸控制功能的軸定位位置參數需要給定為實數，在調用FC18前，要將刀庫旋轉的目標位置由整數轉換為實數。FC18的調用如下。

6 結束語

本文應用840DSL系統刀具管理功能，對帶有傳輸刀位和由伺服電機驅動的刀庫選備刀做了詳實的介紹，通過在HHMC630臥式加工中心的實際使用，能夠更好地監控刀具狀態和具體位置，方便對機床的操作。

［1］SINUMERIK 840Dsl／828D基本功能手冊.西門子（中國）有限公司.

［2］SINUMERIK 840Dsl／828D擴展功能手冊.西門子（中國）有限公司.

［3］SINUMERIK 840Dsl，SINAMICS S120 機床數據和參數手冊.西門子（中國）有限公司.

Application of servo tool with transfer location based on 840DSL tool management system

WANG Heng，REN De－yong，ZHANG Qian
（Hanchuan CNC Machine Tool Co.，Ltd.，Hanzhong 723000，China）

Based on the tool management function of 840DSL system，a method of the servo tool with transfer location is introduced，which using indexing axes，PLC axes and model rotating axesto realize the tool control.The process of the PLC program realizing the manual rotation of the tool and the process from the automatic tooling to the transfer location after the tool configuration are described.

servo tool；indexing axes；model rotating axes；FC6；FC18；transfer location

TM383.4

B

王 恒（1979－），男，陜西省漢中市人，工程師，就職于漢川數控機床股份公司技術中心。

2017－04－05

1005—7277（2017）02—0044—04

任德勇（1978－），男，陜西省漢中市人，工程師，就職于漢川數控機床股份公司技術中心。