數(shù)控車床中伺服刀架的應(yīng)用研究

華淑云

（齊齊哈爾二機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，黑龍江 齊齊哈爾 161005）

隨著數(shù)控車床的發(fā)展，數(shù)控刀架開始向快速換刀、電液組合驅(qū)動(dòng)和伺服驅(qū)動(dòng)方向發(fā)展。目前國內(nèi)數(shù)控刀架以電動(dòng)為主，分為立式和臥式兩種。國產(chǎn)數(shù)控車床今后將向中高檔發(fā)展，中檔采用普及型數(shù)控刀架配套，高檔采用動(dòng)力型刀架，兼有液壓刀架、伺服刀架。用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的伺服刀架系統(tǒng)，定位精度高，動(dòng)作準(zhǔn)確可靠，結(jié)構(gòu)簡單。此系統(tǒng)在數(shù)控車床中應(yīng)用越來越廣泛，極大地提高了數(shù)控機(jī)床高速性能和加工能力。

1 數(shù)控車床刀架分析

數(shù)控刀架作為數(shù)控車床的核心部件，可通過一次裝夾工件，自動(dòng)完成車削螺紋、圓弧、端面、內(nèi)孔、外圓、溝槽等加工工序，適用于機(jī)械加工、冶金等行業(yè)。在高檔數(shù)控機(jī)床中使用高性能刀架，極大提高了數(shù)控車床高速性能和復(fù)雜零件的加工能力。現(xiàn)在常用的高性能內(nèi)刀架根據(jù)刀架動(dòng)力源不同，可分為液壓刀架(Hydraulic turret)，即液壓刀架由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，可雙向旋轉(zhuǎn)，就近選刀。其結(jié)構(gòu)簡單，抗偏載能力強(qiáng)；伺服刀架(Servo turret)，伺服刀架用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，定位精度高，動(dòng)作準(zhǔn)確可靠，可雙向旋轉(zhuǎn)，速度快，平穩(wěn)。常用的私服刀架系統(tǒng)有數(shù)控系統(tǒng)+刀塔控制器+伺服驅(qū)動(dòng)器+伺服電機(jī)；數(shù)控系統(tǒng)+伺服驅(qū)動(dòng)器+伺服電機(jī)。目前數(shù)控刀架伺服系統(tǒng)發(fā)展趨向于第二種方案，具體優(yōu)勢是方案優(yōu)勢節(jié)約成本，可以省去原來的刀架控制器；線路簡化，降低故障率；提高系統(tǒng)可靠性；增加系統(tǒng)使用壽命；再次上電不需回零位操作，簡化操作流程；提高加工效率，刀架可在最短的時(shí)間內(nèi)定好位，節(jié)約換刀時(shí)間；其要求:

（1）伺服驅(qū)動(dòng)器能設(shè)置最多個(gè)工位，比如 4、6、8、10及12工位，通過BCD編碼分別選擇1～12個(gè)工位段，伺服運(yùn)轉(zhuǎn)方式為多段位置控制，通過DI端子選擇，而伺服驅(qū)動(dòng)器從當(dāng)前位置到目標(biāo)位置應(yīng)以絕對位置最短距離執(zhí)行。

（2）伺服以BCD碼的形式輸出當(dāng)前位置信號，每個(gè)位置定位完成后要輸出定位完成信號。

（3）若伺服出故障，則輸出故障報(bào)警信號。

（4）要求伺服有記憶位置的功能，當(dāng)斷電時(shí)，伺服要將當(dāng)前位置存儲(chǔ)，再上電時(shí)，調(diào)出來給系統(tǒng)輸出當(dāng)前位置信號。刀位一般都是等分的，下面以12個(gè)刀位，伺服電機(jī)減速比為1:12為例，則一個(gè)廣義圓周為120000個(gè)脈沖。

2 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

（1）伺服刀架伺服系統(tǒng)構(gòu)成及電氣設(shè)計(jì)。伺服刀架伺服系統(tǒng)由伺服電機(jī)、刀架控制單元、CNC系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、刀架本體等組成，刀架控制單元通過接口CNC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(jī)熱保護(hù)監(jiān)測信號和增量脈沖信號。刀架伺服系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)中，將刀架控制單元發(fā)出的刀架鎖緊和放松信號連接到兩個(gè)中繼線圈上，以實(shí)現(xiàn)中間繼電器控制液壓系統(tǒng)中刀架鎖緊和放松電磁閥動(dòng)作。CNC通過系統(tǒng)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(nèi)置的PMC對刀架控制單元的輸入輸出信號進(jìn)行運(yùn)算和處理。

（2）伺服刀架控制原理及工作流程。在伺服刀架運(yùn)行前首先設(shè)定功能模式，接著由CNC向控制單元的I/O接口CN2中PBITOI,PBIT02,PBIT04,PBIT08,PBIT16共5位刀具號，及奇偶校驗(yàn)位PARITY進(jìn)行賦值，刀架回零時(shí)需全部賦數(shù)值0，對用戶輸入的T指令，由CNC進(jìn)行譯碼處理后，給PBITOI-PBIT16,PARITY分別賦刀具值和奇偶校驗(yàn)碼。最后啟動(dòng)控制單元的PSTART信號并維持30ms以上，即可實(shí)現(xiàn)伺服刀架的回零、自動(dòng)換刀、手動(dòng)正反轉(zhuǎn)選刀等操作。值得注意的一點(diǎn)，伺服刀架在數(shù)控機(jī)床每次通電后，必須進(jìn)行刀架的回零操作，否則刀架將無法運(yùn)行。刀架鎖緊信號(LOCKED)常態(tài)為1，在換刀開始和結(jié)束時(shí)將發(fā)生跳變。當(dāng)出現(xiàn)刀具索引信號(INDEXD)為1時(shí)，同時(shí)鎖緊信號發(fā)生0到1的跳變，即可判斷換刀過程已結(jié)束。

（3）伺服刀架調(diào)試中關(guān)鍵問題分析。首先確保電氣連接的準(zhǔn)確與安全，其次保證在機(jī)床實(shí)際工況下，電氣連接的可靠與穩(wěn)定。刀架伺服系統(tǒng)中液壓系統(tǒng)主要控制刀架的鎖緊和放松，鎖緊壓力穩(wěn)定在4兆帕左右，液壓系統(tǒng)的好壞直接決定刀架的可靠運(yùn)行，刀架鎖緊信號(LOCKED)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，可避免刀架的誤動(dòng)作和撞刀，在PMC控制程序中，要將鎖緊信號作為關(guān)鍵控制條件來處理，一旦在工件加工過程中鎖緊信號發(fā)生變化，CNC需立即產(chǎn)生急停報(bào)警，同時(shí)切斷機(jī)床伺服軸、主軸及伺服刀架的動(dòng)力電源。刀架控制單元上有信號監(jiān)測窗口，調(diào)試中可實(shí)時(shí)了解刀架本體的各種信號狀態(tài)及刀架報(bào)警代碼。在出現(xiàn)任何報(bào)警代碼時(shí)，刀架將無法運(yùn)行，調(diào)試中必須將MODE1-MODE3賦數(shù)值零即可將報(bào)警復(fù)位，同時(shí)根據(jù)報(bào)警代碼排查故障原因，待報(bào)警原因處理完畢，才可進(jìn)行刀架的運(yùn)行功能調(diào)試。

3 結(jié)語

隨著高檔數(shù)控車床伺服刀架的廣泛使用，對調(diào)試人員的PMC編程及電氣設(shè)計(jì)提出更高的要求，但只要掌握伺服刀架伺服系統(tǒng)的一般構(gòu)成原理和關(guān)鍵信號的處理，可提高伺服刀架使用的可靠性和穩(wěn)定性，對提升整個(gè)數(shù)控車床的性能和加工能力起到至關(guān)重要的作用。