數控車床中數控伺服刀架伺服系統關鍵技術分析

姚海明，陳志祥

YAO Hai-ming, CHEN Zhi-xiang

(南通科技投資集團股份有限公司，南通 226011)

0 引言

數控機床正向高速、高精度方面發展，高速高精切削加工已成為金屬切削加工技術的發展趨勢[1]。作為數控車床的核心部件—刀架，可保證工件通過一次裝夾自動完成車削外圓、內孔、端面、圓弧、螺紋、溝槽等加工工序，適用于機床、家電、汽車、齒輪、冶金等行業。

目前經濟型數控車床中多數使用液壓刀架，調試和維護相對簡單。而在高檔數控機床中使用高性能伺服刀架，極大提高了數控車床高速性能和復雜零件的加工能力，但調試和控制相對復雜，本文著重對伺服刀架伺服系統的電氣設計和調試關鍵技術進行分析，并對調試中出現的問題進行全面的歸納和總結。

1 應用于數控車床中的刀架形式

根據刀架動力源不同，可分為液壓刀架（Hydraulic turret）、伺服刀架(Servo turret)，即液壓刀架由液壓馬達驅動，可雙向旋轉，就近選刀，結構簡單，抗偏載能力強。伺服刀架用伺服電機驅動，定位精度高，動作準確可靠，可雙向旋轉，速度快，平穩。結構更為復雜；刀架可稱之為復合型刀架，此刀架主要是增加了刀具動力功能，在各工位均可裝動力刀具，且僅在工作位置旋轉，形式多且使用方便。可把動力刀具配置為車床的第二主軸，再結合C軸功能，能完成復雜型面的加工。

本文將以本公司最新研發的斜床身式輪轂車LG24，數控系統采用FANUC 0i-TD系統[2]，配置高檔數控伺服刀架SM-H-32 series 00（意大利DUPLOMATIC公司制造）為例進行詳細的說明。刀架控制單元為DD4-10-400/20,動力電源400V+15%-10%，直流控制電源24V。刀架為12工位，換刀時間（刀-刀）0.58s,定位精度4＂，重復定位精度1.6＂。伺服刀架伺服系統結構如圖1所示：1電機、2熱保護開關、3計數編碼、4刀架回零開關、5刀架鎖緊開關、7控制單元、8 刀架鎖緊放松電磁閥。

圖1 DUPLOMATIC伺服刀架伺服系統構成原理圖

2 伺服刀架應用中關鍵技術分析

2.1 伺服刀架伺服系統構成及電氣設計

伺服刀架伺服系統由刀架本體、伺服電機、刀架控制單元、液壓系統、CNC等組成，刀架控制單元通過接口CN7與刀架本體相連接，獲取刀架本體上鎖緊信號、回零信號、電機熱保護監測信號和增量脈沖信號。刀架伺服系統電氣設計中，將刀架控制單元發出的刀架鎖緊（EVLOCK）和放松信號（EVULOCK）連接到兩個中繼線圈上，以實現中間繼電器控制液壓系統中刀架鎖緊和放松電磁閥動作。CNC通過系統I/O模塊與刀架控制單元輸入接口CN2、輸出接口CN1相連接。CNC內置的PMC(順序控制器)對刀架控制單元的輸入輸出信號進行運算和處理[3]。

2.2 伺服刀架控制原理及工作流程

控制單元提供多種運行功能，各種功能由模式1、2、3（MODE1、MODE2、MODE3）進行編碼識別，如刀架自動正反轉、自動最短路徑、手動正反轉選刀、急停、復位、安全模式等7個功能。在伺服刀架運行前首先設定功能模式，接著由CNC向控制單元的I/O接口CN2中PBIT01、PBIT02、PBIT04、PBIT08、PBIT16共5位刀具號，及奇偶校驗位 PARITY進行賦值，刀架回零時需全部賦數值0，對用戶輸入的T指令，由CNC進行譯碼處理后，給PBIT01-PBIT16、 PARITY分別賦刀具值和奇偶校驗碼。最后啟動控制單元的PSTART信號并維持30ms以上，即可實現伺服刀架的回零、自動換刀、手動正反轉選刀等操作。值得注意的一點，伺服刀架在數控機床每次通電后，必須進行刀架的回零操作，否則刀架將無法運行。刀架鎖緊信號（LOCKED）常態為1，在換刀開始和結束時將發生跳變。當出現刀具索引信號（INDEXD）為1時，同時鎖緊信號發生0到1的跳變，即可判斷換刀過程已結束，自動換刀時PMC編程流程圖如圖2所示。

圖2 PMC編程流程圖

2.3 伺服刀架調試中關鍵問題分析

首先確保電氣連接的準確與安全，其次保證在機床實際工況下，電氣連接的可靠與穩定。刀架伺服系統中液壓系統主要控制刀架的鎖緊和放松，鎖緊壓力穩定在4兆帕左右，液壓系統的好壞直接決定刀架的可靠運行，刀架鎖緊信號（LOCKED）狀態的實時監測，可避免刀架的誤動作和撞刀，在PMC控制程序中，要將鎖緊信號作為關鍵控制條件來處理，一旦在工件加工過程中鎖緊信號發生變化，CNC需立即產生急停報警，同時切斷機床伺服軸、主軸及伺服刀架的動力電源。刀架控制單元上有信號監測窗口，調試中可實時了解刀架本體的各種信號狀態及刀架報警代碼。在出現任何報警代碼時，刀架將無法運行，調試中必須將MODE1-MODE3賦數值零即可將報警復位，同時根據報警代碼排查故障原因，待報警原因處理完畢，才可進行刀架的運行功能調試。

3 結束語

隨著高檔數控車床伺服刀架的廣泛使用，對調試人員的PMC編程及電氣設計提出更高的要求，但只要掌握伺服刀架伺服系統的一般構成原理和關鍵信號的處理，可提高伺服刀架使用的可靠性和穩定性，對提升整個數控車床的性能和加工能力起到至關重要的作用。

[1]中國機床工具工業協會數控系統分會.第十一屆中國國際機床展覽會(CIMT2009)國產數控系統展品綜述[J].制造技術與機床,2009(8):34-39.

[2]王悅.數控機床Fanuc系統調試與操作技術[M].北京:電子工業出版社,2008.

[3]Fanuc 0i-TD系統操作說明書[Z].北京發那科,2008.