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總線型伺服刀庫在 M8．4 五軸（zhóu）加工中心的應用（yòng）

2022-3-17 來源（yuán）：沈機( 上（shàng）海) 智能係統研發設計有限公作者（zhě）：白鑫都浩

摘要: 針對機械式鬥笠刀庫需要回零操作，並且在選取刀具時需要（yào）與定位、計數接近開關（guān）配合，而接近開關的（de）性能及安裝距離都會影響刀具的計數及定位，導致換刀錯誤（wù）的發生。為此設計了一款總線型伺服刀庫係統，利用機床原（yuán）有 i5 數控係統，通過增加伺服（fú）驅動（dòng）器及電動機並入係統 EtherCAT 總線（xiàn），利用（yòng） PLC 軸控製刀盤旋（xuán）轉、電動機（jī）編碼器反饋刀（dāo）號的控（kòng）製方法，達（dá）到（dào）快速及精確自動換刀的目的。

關（guān）鍵（jiàn）詞: 伺服刀庫; 五軸加工中心; PLC 軸控製; EtherCAT 總線

1、機床刀庫結構及控（kòng）製總（zǒng）體設計

i5M8．4 五軸（zhóu）加工中心整機采用龍門動橫梁式結構，床（chuáng）體由床身、左立柱、右（yòu）立柱、橫梁、滑鞍及刀庫組成，刀庫（kù）通過基座與床身進行（háng）連接，由於（yú）機床機（jī）械結構的特性，刀庫采用台灣臻賞的鬥笠式刀庫，可裝載（zǎi） 20把刀具，通過伺服電動機驅動刀盤旋轉，能夠高速無噪（zào）音（yīn）運（yùn）轉，並采用主軸抓刀的方式進行刀具交換。機床整體結構如圖 1 所示。

針對 i5M8．4 五軸機床與臻賞的鬥（dòu）笠式刀庫結（jié）構特點，設計開發一（yī）種以 PLC 軸為控製核心的鬥笠式伺服刀庫自動換刀（dāo）控（kòng）製方法。鬥笠式（shì）刀庫的主要結構包括: 刀盤、卡爪、減速機、伺服電動機、支撐架等組成［1］; 伺服刀庫自動換刀控製主要對刀盤的精準定位（wèi）、就近旋轉刀盤找刀、主軸刀具定向控（kòng）製、機床伺服軸的聯動控製，以達到快速（sù）下刀、就近找刀、精準裝刀並更新刀具信息的換刀流程。

2、伺服刀庫自動換刀的控製方法

通過對鬥笠式刀庫換刀流程的分析，設計自動換（huàn）刀的整體控（kòng）製方案，確定將伺（sì）服（fú）刀庫配置為 PLC軸的方（fāng）法，通過 PLC 軸控製伺服驅動器進而控製電動機帶動減（jiǎn）速機旋轉，來實現刀盤的就近旋轉及精準定（dìng）位的目的。PLC 軸本質上是 CNC 的基本坐標軸（zhóu），它的連接（jiē）、控製、調節、顯示、參（cān）數設定等都與普通 CNC 軸一（yī）樣（yàng）需要通過 CNC 進行，但其操作權被移交給了（le） PLC。通過軸的（de）運動三（sān）要（yào）素: 運（yùn）動方（fāng）式（shì），運動位移，運（yùn）動速度由 PLC 給出，而不參與係統的插補令［2］。

由於刀（dāo）庫電動機及其伺服驅動器通過 EtherCAT的總（zǒng）線（xiàn）方式並入機床的 i5 數控係統，所以刀庫自動換刀的（de）係（xì）統控製及 PLC 輸入輸出點位等硬件，可直接利原 i5 數控係統提供的軟 PLC 進行軟件編程（chéng），以及原機床內的 PLC IO 卡達到（dào）控製伺服刀庫自動換刀的目的，由此（cǐ）減少了（le）再次投入硬 PLC 編輯器進行開發及控製的（de）成本。利用總線方式控製伺服驅動（dòng）器，相比（bǐ）其他控製方式（shì）更穩（wěn）定，並且刀庫控製與（yǔ） CNC 可（kě）以做到實時交互，在機床聯（lián）動與（yǔ）刀庫互鎖（suǒ）的方麵，安全（quán）性及穩定性更高。

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

3、伺服刀庫（kù）控製程序（xù）設計

鬥笠式刀庫由於沒有機械手的參與（yǔ），所（suǒ）以與鏈式（shì）刀庫（kù）和（hé）圓盤式刀庫的換（huàn）刀動作有較大的不同，主要表現在換刀動作需（xū）要主軸的配合［3］，並且換刀采用（yòng）點對（duì）點的換刀方式。其換刀動作主要分為以下步驟:

( 1) Z 軸上升至參考點位置，即（jí）將主軸刀具與工件脫離。

( 2) 主軸定向至規定角度，以便刀具的鍵槽可放入刀庫卡爪中。

( 3) A 軸回零，3 個（gè）直（zhí）線（xiàn）軸運動至等待位（wèi），刀庫門開。

( 4) 刀盤旋轉，三軸運動至換刀點，主軸還刀（dāo）。

( 5) 主軸鬆刀後 Z 軸（zhóu）上升，刀盤旋（xuán）轉至預換刀（dāo）位。

( 6) Z 軸下降至換刀點，主軸夾刀。

( 7) 三軸運動至等待位，刀庫門關閉，換刀結束。

在自動換刀的過程中，刀盤的旋轉定（dìng）位控製是（shì）關鍵所在。由於刀盤可以雙向旋轉，具體的旋轉方向由當前刀（dāo）位與目標刀位的距離決（jué）定。為了實現目標（biāo）刀具的快速選（xuǎn）取，需要刀盤總是以最短的路徑到達（dá）目標刀位，則刀盤的旋轉方向需要由 PLC 計算優化後給出（chū）。為滿足上述要求，設計如圖 3 所示的控製流程圖。

另外（wài），原機械式（shì）刀庫在首（shǒu）次換刀（dāo）時需（xū）要（yào）與零位開（kāi）關配合，進行（háng）回零動作，以確定一（yī）號（hào）刀位的具體位置，而在選取刀具時需要與定位、計數接近開關配合，以進行刀號的加減，進而給出當前刀位的（de）刀號［4］; 采用伺服電動機控製刀盤定位（wèi），由於電動機自帶（dài）尼康 20 位絕對值編碼器，無需進行回（huí）零動作，當前刀號會實時反（fǎn）饋至 PLC，而選取刀具的過（guò）程則是 PLC 直接將 U 軸的目標（biāo）位（wèi）置及（jí）速度（dù）傳送至 CNC，由 CNC 規劃 U 軸的具體（tǐ）動作進而實現刀盤的旋轉及定位，所以刀具的定位更精準。而原機械刀庫采用接近開關定位的方式，接近（jìn）開關的性能（néng）及安裝距（jù）離都會影響刀具的（de）計數及定（dìng）位，長期使用的過程中（zhōng），難免（miǎn）會出現遺漏的情況，導致裝刀錯誤的發（fā）生。

4、結語

本文主要通過對五軸加工中心刀庫結（jié）構及自動（dòng）換刀係統的分析，利用機床原有 i5 數控係統，通過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（fāng）法，設計了（le）一款伺服刀庫自動換刀（dāo）係統。通過測試證明，采用（yòng）伺服刀庫的機床與原機械刀庫的機（jī）床對比，換刀時間（jiān）最（zuì）多可縮（suō）短 9 s( 主軸刀號為 T1，目標（biāo）刀號為 T11) ，顯著的提高了換刀效率。並且（qiě）利用電動機編碼器作為刀號反饋，舍（shě）去了原有的計數（shù）開關，避免了由於接近開關的問題導致（zhì）亂（luàn）刀的可能，提高了自動換刀的可靠性及穩定性（xìng）。目前（qián），該伺服（fú）刀庫（kù）控製係統已應用至車間生產設備上。作為機（jī）床刀庫選配（pèi）型號的一種可（kě）供用戶采購。

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