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總線型伺服刀庫在 M8．4 五軸加工中心的應用

2021-2-18 來源：沈機( 上（shàng）海) 智能係統研發設計有限公司作者：白鑫都浩

摘要（yào）: 針對機械式鬥笠刀庫需要回零操（cāo）作（zuò），並（bìng）且在選取刀具時需要與定位（wèi）、計數接近開關（guān）配合，而接近開關的（de）性能及安裝距離（lí）都會（huì）影響刀具的計數及定位，導致換（huàn）刀（dāo）錯誤的發生。為此設計了一款總線型伺服刀庫係統，利用機（jī）床原有 i5 數（shù）控係統，通過增加伺服驅動（dòng）器及電動機並入係統 Ether CAT 總線（xiàn），利用 PLC 軸控製刀盤旋轉、電動機編碼器（qì）反（fǎn）饋刀號的控製方法，達到快速（sù）及精確自動換刀的目的。

關鍵詞: 伺服刀庫; 五軸加（jiā）工中心; PLC 軸控製（zhì）; Ether CAT

1 、機（jī）床刀庫結構及控製總體設計

i5M8．4 五軸（zhóu）加工（gōng）中心整機采用龍門動橫梁（liáng）式結構，床體由床身、左立（lì）柱（zhù）、右立柱、橫梁、滑（huá）鞍（ān）及刀庫（kù）組（zǔ）成，刀（dāo）庫通過基座與床（chuáng）身進行連接，由於機床機械結構的特性，刀庫采（cǎi）用（yòng）台灣臻賞（shǎng）的鬥笠式刀庫，可裝載 20把刀具，通過伺服電動機驅動刀盤旋轉，能夠高速無噪音運轉，並采用主軸抓刀（dāo）的方式進行（háng）刀具交換。機（jī）床整體結構如圖 1 所示。

針對 i5M8．4 五軸機（jī）床與臻賞的鬥笠式刀庫（kù）結構特點，設計開發一種以 PLC 軸為控製核心的鬥笠式伺服刀庫自動換刀控製方法。鬥（dòu）笠式（shì）刀庫的主（zhǔ）要結構包括: 刀盤、卡爪、減速機、伺服電動（dòng）機、支撐架等組（zǔ）成（chéng）; 伺服刀庫自動換刀控製主要對刀盤的精準定位、就近旋轉刀盤找刀、主軸刀具定向控製（zhì）、機床伺（sì）服軸的聯（lián）動控製（zhì），以達到快速下刀、就近找刀、精準裝刀並更新刀（dāo）具信息（xī）的換刀流程。

2 、伺服刀庫（kù）自動換刀的控製（zhì）方法

通過對鬥笠式刀（dāo）庫換刀流程的分（fèn）析，設計自動換刀的整體（tǐ）控製方案，確（què）定將伺服刀庫配置為 PLC軸的方法，通過 PLC 軸控製伺服驅動（dòng）器進而控製電（diàn）動機（jī）帶動減速機旋轉，來實現刀盤的就（jiù）近旋轉及精準（zhǔn）定位的目的（de）。PLC 軸本質上是 CNC 的基本坐標軸，它的連接、控製、調節、顯示、參數設定等都（dōu）與普通 CNC 軸（zhóu）一樣需要通過 CNC 進行（háng），但其操作權被移（yí）交給了 PLC。

通過軸的運動三要素: 運動（dòng）方式，運動位移，運動速度由 PLC 給出，而不參與係統的插補指令。

由於刀庫電動機及其伺服驅動器通過 Ether CAT的總線方（fāng）式並入機床的 i5 數控（kòng）係（xì）統，所以刀庫自動（dòng）換刀的係（xì）統控製及 PLC 輸入輸出點位等硬件，可直接利用原 i5 數控係統提供的軟（ruǎn） PLC 進行軟件編程，以及原機床（chuáng）內的（de） PLC IO 卡達到控製伺服刀庫自動換刀的目

的，由此減少了再次投入硬 PLC 編輯器進行開發及控（kòng）製的成本。

利用總線方式控製伺服驅動器，相（xiàng）比其他控製方式更穩定，並且刀（dāo）庫控製與 CNC 可以做到實時交互，在機床聯動與刀庫互鎖的方麵，安全性及（jí）穩定性更高。

在數控係統中將刀庫伺服配置為 PLC 軸控製（zhì），命名為 U 軸，其相關參數配置如圖 2 所示。

3 、伺（sì）服刀庫控製程序設計

鬥笠式刀庫（kù）由於（yú）沒有機械手的參與，所以與鏈式刀庫和圓盤式刀庫的換刀動（dòng）作有較大的不同，主要表現在換刀動作需（xū）要（yào）主軸的配合，並且換刀采用點對點的換刀方（fāng）式。其換刀動（dòng）作主要（yào）分為以下步驟:

( 1) Z 軸上升至參考點位置，即將主（zhǔ）軸刀具與工件（jiàn）脫離（lí）。

( 2) 主（zhǔ）軸定向至（zhì）規定角度，以便刀具的鍵槽可放入刀庫卡爪中。

( 3) A 軸回零，3 個直線軸運動至（zhì）等待位，刀庫門開。

( 4) 刀盤旋轉，三軸運動至換刀點（diǎn），主軸還刀。

( 5) 主軸（zhóu）鬆（sōng）刀後 Z 軸上升，刀盤旋轉至預換刀位。

( 6) Z 軸下降至換刀點，主軸夾刀。

( 7) 三軸運動至等（děng）待位，刀（dāo）庫門關閉，換刀結束。

在自動（dòng）換刀的過程中，刀盤的旋轉定（dìng）位控製是關鍵所在。由於刀盤可以雙向旋轉，具體的旋轉方向由當前（qián）刀位與目標刀位的（de）距離決定。為了（le）實現目標（biāo）刀具的快速選取，需要刀盤總是以最短的路徑到達目標刀位，則刀盤的旋轉方向需要由 PLC 計算優化後（hòu）給（gěi）出。為滿足上述要（yào）求，設計如圖 3 所示的控製流程（chéng）圖。

另外，原機械式刀庫在首次換刀時需要與零位開關配合，進行回零動作，以確定一號（hào）刀位（wèi）的具體位置（zhì），而在選取刀具時需要與定位、計（jì）數接近（jìn）開關配合，以進（jìn）行刀（dāo）號的加減，進而給出（chū）當前刀位的刀號; 采用伺服電動機控（kòng）製刀盤定位，由於電動機自帶尼康 20 位絕對值編碼器（qì），無需進行回零動作，當前刀號會實時反饋至（zhì） PLC，而選取刀具的（de）過程則是 PLC 直接將（jiāng） U 軸的目標（biāo）位置及速度傳（chuán）送至 CN，由 CNC 規（guī）劃 U 軸的（de）具體動作進而實現刀盤的（de）旋轉及定位，所以刀具的定位更加精準（zhǔn）。

而原機械刀庫采用接近開（kāi）關定位的（de）方式，接近開關的性能及安裝距離（lí）都會影響刀具的計數及定位，長期使用的（de）過程中，難免會出現遺漏的情況，導致裝刀錯誤的發生。

4 、結語

本文主要通（tōng）過對五軸加工中心刀庫結構及自（zì）動換刀係統的分析，利（lì）用機床（chuáng）原有 i5 數控（kòng）係統，通過（guò）增加伺服驅動器及電動機並入係統總線，並利用 PLC 軸控製的方法（fǎ），設計了一款伺服刀庫自動換刀係統。通過測試證明，采用伺服刀（dāo）庫的機（jī）床與原機械刀（dāo）庫的機床對比，換（huàn）刀時間最多可縮短 9 s( 主軸刀號為（wéi） T1，目標刀號為 T11) ，顯著的提高了換刀效率。

並且利用電動（dòng）機編碼器作為刀（dāo）號反饋，舍去了原有的計數開關（guān），避免了由於接（jiē）近開關的問（wèn）題導致亂刀的可能，提高了自動換刀的可靠性及穩定性。目前，該伺服刀庫控製（zhì）係統已應用至（zhì）車間生產設備上。作為機床刀庫選配型號的（de）一種可供用戶采購。

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