通用加工中心飛碟式刀庫(kù)硬件的設(shè)計(jì)與應(yīng)用開(kāi)發(fā)

李本紅

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528137）

0 引言

針對(duì)國(guó)內(nèi)制造業(yè)高精度，產(chǎn)品工業(yè)設(shè)計(jì)復(fù)雜程度的增加，非標(biāo)制造設(shè)備行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)非標(biāo)高速加工中心的需求越來(lái)越多，可靠性要求也越來(lái)越高。高速加工中心作為數(shù)控機(jī)床的代表，其高速、高效、高精度等性能，在高精度制造業(yè)設(shè)備中占有不可替代的地位，國(guó)內(nèi)許多非標(biāo)數(shù)控機(jī)床廠的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)能力具有國(guó)際水平或接近國(guó)際水平。然而國(guó)內(nèi)許多非標(biāo)設(shè)備制造企業(yè)在高速主軸，高速進(jìn)給的前提下提出對(duì)高品質(zhì)高速加工中心提出更高的換刀要求。本文采用臺(tái)灣東元交流伺服驅(qū)動(dòng)器和臺(tái)安飛碟刀庫(kù)進(jìn)行改裝高速非標(biāo)刀庫(kù)，并對(duì)絕對(duì)式刀庫(kù)系統(tǒng)硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和東元伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了高速換刀的要求。

1 非標(biāo)刀庫(kù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

PYA 系列高速加工中心，是自主開(kāi)發(fā)研制的高速非標(biāo)加工中心機(jī)床，主要針對(duì)鋁型材非標(biāo)加工，主軸轉(zhuǎn)速15000r/min，主軸額定扭矩52Nm，X 軸快速移動(dòng)速度60m/min，Y、Z 軸快速移動(dòng)速度48m/min，X、Y、Z 三軸進(jìn)給速度36m/s2。飛碟式刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示, 它是由回轉(zhuǎn)體和分布其上面的刀夾單元及伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)等組成。刀庫(kù)伺服驅(qū)動(dòng)器采用東元JSDAP-30 交流伺服驅(qū)動(dòng)器，配套伺服電機(jī)采用JSMA-PSC08A7（功率為0.75kW，力矩為2.39Nm，轉(zhuǎn)速3000rpm，額定電流5A，輸出電壓0～230V，編碼器規(guī)格為17BIT 絕對(duì)編碼器），刀庫(kù)采用臺(tái)安飛碟式16 位刀庫(kù)。

圖1 刀庫(kù)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Tool magazine Schematic

針對(duì)非標(biāo)高速主軸和高速刀庫(kù)系統(tǒng)的要求，目前主流刀庫(kù)系統(tǒng)為盤(pán)式刀庫(kù)、鏈?zhǔn)降稁?kù)和斗笠式刀庫(kù)，因采用PMC 尋刀，對(duì)刀庫(kù)原點(diǎn)需要進(jìn)行判斷，換刀過(guò)程復(fù)雜，換刀過(guò)程需時(shí)較長(zhǎng)，需要5s 以上的時(shí)間，有些換刀時(shí)間更達(dá)到10s 以上，因鋁型材企業(yè)的要求，換刀時(shí)間要在3s 以內(nèi)，經(jīng)過(guò)開(kāi)發(fā)，采用伺服驅(qū)動(dòng)器代替PMC驅(qū)動(dòng)接觸器的方法進(jìn)行開(kāi)發(fā)，刀庫(kù)采用直取式飛碟式16 位或24 位刀庫(kù)，絕對(duì)式飛碟刀庫(kù)減少了還刀時(shí)間和尋刀時(shí)間，節(jié)約了換刀時(shí)間，提高了換刀效率。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用東元伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行刀庫(kù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要分為伺服控制器主電路設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)定設(shè)定兩大塊，主電路設(shè)計(jì)包含系統(tǒng)接線總體設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)。下面分別介紹系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容。

（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。東元伺服驅(qū)動(dòng)器可以承受較大的瞬時(shí)短路沖擊電流（低于500A），但為避免系統(tǒng)的沖擊電流對(duì)其他控制線路的沖擊和誤動(dòng)作，系控制系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)斷路器進(jìn)行短路保護(hù)，同時(shí)為避免線網(wǎng)過(guò)壓或過(guò)流對(duì)系統(tǒng)造成損害，線路還需要設(shè)計(jì)電源濾波器去除線網(wǎng)瞬時(shí)過(guò)壓等保護(hù)線路。

東元伺服驅(qū)動(dòng)器可以直接驅(qū)動(dòng)?xùn)|元伺服電機(jī)JSDAP伺服電機(jī)，反饋采用三相編碼器進(jìn)行反饋控制。對(duì)飛碟式快速刀庫(kù)的控制主要利用CN1 接口進(jìn)行，主要保護(hù)系統(tǒng)的控制信號(hào)的接收和反饋控制信號(hào)（具體見(jiàn)伺服驅(qū)動(dòng)器控制模式及參數(shù)設(shè)定），CN3 主要提供現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試參數(shù)用。具體系統(tǒng)控制框圖見(jiàn)圖2 所示。

（2）系統(tǒng)主電源接線控制。東元伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)主電源控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具體接線如圖3 所示。電源濾波器采用RCM-601BUZ-4，額定電壓250V，頻率50～60Hz，外部剎車電阻采用200W39Ω 瓷管電阻。R、S、T 為電源進(jìn)線，通過(guò)交流接觸器MC 的主觸點(diǎn)引入，U、V、W為電源出線，接?xùn)|元JSDAP 交流伺服電機(jī)，r、s 為東元伺服驅(qū)動(dòng)器工作電源。FG 為接地點(diǎn)。

圖3 刀庫(kù)伺服控制系統(tǒng)主電源接線圖Fig.3 Tool magazine servo control system is the main power supply wiring diagram

（3）伺服驅(qū)動(dòng)器控制連接及參數(shù)設(shè)定。由于臺(tái)安飛碟式快速刀庫(kù)輸入輸出的形式是NPN，而東元伺服系統(tǒng)識(shí)別的是PNP 形式；所以加工中心需要用電氣控制柜中的24V 繼電器進(jìn)行24V 的轉(zhuǎn)換。伺服驅(qū)動(dòng)器控制飛碟式刀庫(kù)的運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)來(lái)源于FUNAC 0I MATE MD 系統(tǒng)的I/O link 的信號(hào)。伺服驅(qū)動(dòng)器與系統(tǒng)的連接如圖4 所示。伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)刀庫(kù)進(jìn)行選刀信號(hào)由I/O link CB104 輸出，刀庫(kù)采用16 位刀庫(kù)，選刀信號(hào)以2 進(jìn)制進(jìn)行選刀，4 位2 進(jìn)制剛好滿足16 把刀（24=16），刀庫(kù)反饋信號(hào)輸入CB105也采用2 進(jìn)制進(jìn)行反饋。

圖4 東元伺服驅(qū)動(dòng)器與FUNAC I/O LINK 系統(tǒng)接線Fig.4 Teco servo drives and FUNAC I/O LINK system wiring

在調(diào)試機(jī)床的刀庫(kù)原點(diǎn)時(shí)，如果刀庫(kù)亂刀或者位置不準(zhǔn)的時(shí)候，先將面板模式開(kāi)關(guān)撥到原點(diǎn)模式，執(zhí)行代碼M77，再進(jìn)行急停，同時(shí)把刀庫(kù)位置用手動(dòng)的方法進(jìn)行扳正，再執(zhí)行代碼M79，完成以上操作后，刀庫(kù)現(xiàn)有位置就會(huì)成為原點(diǎn)位置，為刀庫(kù)提供原點(diǎn)位置參數(shù)。

在刀庫(kù)實(shí)際使用中還要對(duì)東元JSDAP 伺服驅(qū)動(dòng)器重點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，參數(shù)設(shè)定完必須使伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)重新上電，因?yàn)橄到y(tǒng)重啟后才能使參數(shù)生效。具體幾個(gè)重點(diǎn)參數(shù)設(shè)定如下：

Cn29=1：恢復(fù)出廠設(shè)置，關(guān)電再上電；Cn01=9：刀庫(kù)模式（參數(shù)設(shè)置后需重新設(shè)置其他參數(shù)）；Cn25=20：機(jī)床慣量（按照臺(tái)安飛碟式刀庫(kù)參數(shù)要求設(shè)定）；qn501=40：速度增益；qn502=100：速度積分時(shí)間；qn505=40：位置增益；dn05=1：點(diǎn)動(dòng)正反轉(zhuǎn)；201=50：點(diǎn)動(dòng)速度設(shè)定；Pn324=16：刀盤(pán)數(shù)量；Pn326=80：減速比（出廠設(shè)定值為128）；Pn327=2800：換刀速度；Pn313=50：換刀加減速。

3 結(jié)論

本刀庫(kù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)后, 已經(jīng)在PYA 系列數(shù)控加工中心上應(yīng)用，達(dá)到了合作開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)目的，換刀速度與國(guó)外同類高速加工中心產(chǎn)品的水平相當(dāng)，其性能可靠，換刀過(guò)程平穩(wěn)，換刀過(guò)程無(wú)過(guò)沖，運(yùn)動(dòng)平衡無(wú)沖擊，使得告訴加工中心的加工速度有了很大的提升，提升了國(guó)產(chǎn)化率和自主開(kāi)發(fā)的能力指數(shù)，降低了生產(chǎn)成本，對(duì)加工中心刀庫(kù)設(shè)計(jì)有一定參考價(jià)值, 值得推廣。

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