基于運動控制卡的自動換刀控制系統的設計

朱　劍，舒志兵，鄭之開

(1.南京工業大學 自動化與電氣工程學院，南京　211816;2.上海維宏電子科技股份有限公司，上海　201100)

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基于運動控制卡的自動換刀控制系統的設計

朱劍1，舒志兵1，鄭之開2

(1.南京工業大學 自動化與電氣工程學院，南京211816;2.上海維宏電子科技股份有限公司，上海201100)

摘要：刀庫及換刀裝置對提高數控加工中心的效率有顯著作用。在分析了自動換刀工作原理的基礎上，完成了基于上位機和運動控制卡的自動換刀控制系統的設計。利用運動控制卡組成的控制系統實現了刀盤運動，自動選刀，主軸換刀的控制。同時上位機能夠提供人機交互以實現指令傳輸，參數設置以及實時監控等功能。經過實際應用證明，該控制系統性能穩定，控制精確，操作簡單，具有廣泛的應用價值。

關鍵詞：運動控制卡；自動換刀系統；上位機

0引言

自動換刀控制系統專為大中型加工中心配套，實現主軸刀具和刀庫刀具快速交換的功能。隨著數控加工中心的迅速發展，自動換刀控制系統也向著高速化，高效率和高可靠性的方向發展。工業發達國家對于自動換刀控制系統的研究起始于上世紀70年代并獲得迅速發展。我國對自動換刀控制系統的研究相對落后，存在換刀動作復雜，可靠性較低等問題[1]。

本文以斗笠式刀庫和圓盤刀庫的自動換刀裝置為研究基礎，在分析了刀庫換刀流程的基礎上，合理規劃換刀動作和檢測裝置，有利于提高自動換刀的效率。以基于工業PC機的運動控制卡為核心，分別對控制系統的硬件和軟件進行設計。通過軟件編程，完善人機交互界面，實時監控換刀流程，確保了控制系統的可靠性。

1自動換刀系統總體設計

自動換刀控制系統選擇上海維宏電子科技股份有限公司生產的朗達控制器及PM85A運動控制卡為控制系統核心。基于工業PC機，通過軟件編程實現對換刀系統的自動控制。自動換刀控制系統設計有兩種控制方式，包括來自上位機的換刀T指令控制方式和來自控制按鈕的脈沖指令控制方式。當系統接收到指令后，解析指令并調用相應的子程序，在執行程序的同時，通過控制器給驅動器發送脈沖指令和方向指令，最終驅動伺服電機來控制主軸和刀庫運動。此外，系統會不斷掃描檢測裝置信號和編碼器反饋，對整個換刀系統實時監控，旨在確保安全換刀的基礎上，盡可能快速的完成指令。控制系統的整體結構如圖1所示。

圖1　控制系統總體結構圖

2自動換刀裝置總體分析

盤式刀庫自動換刀裝置通常使用機械刀臂進行輔助換刀，通過氣缸推動機械刀臂彈出和收回，將盤式刀庫從刀套中推出的刀具夾緊，然后通過旋轉機械刀臂，將刀具旋轉到主軸正下方，再卡到主軸上[2]。盤式刀庫的這種換刀方式，主要依靠氣缸能夠穩定的彈出和收回機械刀臂，同時需要機械刀臂能夠夾緊刀具并旋轉到指定位置上，這對于刀具重量和長度都有限制[3]。

斗笠式刀庫自動換刀裝置，采用氣缸裝置將刀庫中的刀盤推出，同時移動主軸到換刀位置進行松夾刀。這種控制系統的換刀動作，對于刀庫中刀盤有一定要求，其存放的刀具數量有限，一般為16到24把[4]。

本文設計的控制系統，采用斗笠式刀庫和松夾刀式主軸作為硬件來完成自動換刀。斗笠式刀庫中每個刀位都設有信號帶，當刀盤旋轉并經過一個信號帶時，將反饋信號給系統。系統通過反饋的信號實時確定刀盤所在位置。刀盤配有檢測裝置，用來檢測刀盤是否推出或收回到指定位置。松夾刀式主軸，可以通過接收系統信號，自動完成松刀和夾刀動作，并將動作完成情況反饋給系統。

2.1參數控制方法分析

考慮針對不同機械結構的數控加工中心和不同型號的刀庫，自動換刀控制系統必須具有一定的可擴展性和通用性， 本文采用參數設置[5]的控制策略，對整個換刀流程進行控制。其核心思想是，分析主軸和刀庫運動，抽象出相關的運動變量，將這些運動變量參數化[6]，通過人機界面統一管理。

主軸運動時需要考慮運動速度，換刀速度，換刀上位和換刀下位。換刀開始時，主軸以正常運動速度先移動到換刀上位，即安全高度。當刀盤將刀具推出到換刀下位后，主軸以換刀速度進行運動，進行松夾刀動作。基于安全考慮，換刀速度比主軸正常運動速度要小很多。而換刀下位則是主軸能夠準確換刀的位置。

刀庫運動需要考慮刀盤旋轉，刀盤推出，刀盤收回以及相關的檢測信號。刀盤旋轉，即根據換刀指令，刀盤順時針或逆時針旋轉將所需的刀位旋轉到指定的位置。松刀時，刀盤將主軸上當前刀具原先存放的刀位旋轉到換刀刀位處，等待主軸松刀；夾刀時，刀盤將目標刀具在刀盤中存放的刀位旋轉到換刀刀位處，等待夾刀。

為了避免換刀時，刀具混亂帶來的安全隱患，將每把刀具和刀位綁定，即無論如何換刀，刀具都只會從固定刀位取出，也只會將該刀具放回固定刀位。實施方案，先設置參數刀庫容量#TOOLLIB_SIZE；將刀盤上的刀位根據刀庫容量的大小進行編碼，設置參數為刀盤刀號；將主軸上正在使用的刀具，設置參數為當前刀號；將刀庫中存放的準備使用的刀具，設置參數為目標刀號。松刀時，系統判斷當前刀號與刀盤刀號是否一致，如果不一致，則調用算法：

#3=當前刀號—刀盤刀號

IF(#3 > (#TOOLLIB_SIZE / 2))#3 = #3 - #TOOLLIB_SIZE

IF(#3 < -1 * (#TOOLLIB_SIZE / 2)) #3 = #3 + #TOOLLIB_SIZE

變量#3是臨時變量；根據刀盤的實際容量賦值。當計算完成，將#3的值發送給驅動，如果變量#3 > 0，則刀盤正轉ABS(#3)個刀位，否則，刀盤反轉ABS(#3)個刀位。該算法的意義是，控制刀盤以最短路徑運行到目標刀位，減少換刀時間。夾刀時，系統根據當前刀號和目標刀號調用算法，計算出刀盤需要正轉或反轉多少個刀位，并將信號發送給驅動。

將整個換刀流程所涉及到的參數統一規劃，并在人機界面一一顯示出來，有利于面對不同型號的刀庫時，只需要簡單修改參數就可以立刻使用。同時，可以根據數控加工中心的實際情況，試驗出最合適的換刀位置和換刀速度，提高換刀系統的整體速度，提高加工效率。

2.2換刀檢測裝置分析

換刀過程中，檢測裝置是重要組成部分，有利于系統安全換刀，同時能夠有效提高換刀速度。主軸需要檢測的信號包括，換刀開始時，主軸上有無刀具，以此來確定先松刀還是直接夾刀；松刀和夾刀動作結束后，檢測主軸松刀和夾刀有沒有成功完成，如果成功，則執行下一步，否則，換刀停止，系統報警。刀庫需要檢測的信號包括，每轉動一個刀位，都會得到一個數刀計數信號。該信號是系統內部判斷刀盤轉動了多少個刀位的依據。此外，該信號與刀盤刀號相關聯，順時針每轉動一個刀位，當轉動成功后，得到數刀信號脈沖消息，反饋給控制系統，系統參數刀盤刀號累計加一，上限為刀庫容量的值；逆時針旋轉時，成功轉動后，刀盤刀號累計減一，當減小到1時，再逆時針旋轉一個到位，則刀盤刀號回歸到最大值。氣缸需要的檢測信號包括，刀盤推出到位確認信號，確保將刀盤上換刀的刀位推出到主軸換刀位置的正下方，保證主軸換刀無誤；刀盤收回到位確認信號，換刀結束后，刀盤一定要收回到原先的位置，不僅僅是確保刀盤不會影響接下來的加工任務，而且減小了刀盤暴露在加工現場的時間，延長了刀盤壽命。

2.3換刀流程分析

當控制系統接收到換刀指令時，系統判斷當前主軸上有無刀具，如果有刀具，就需要先松刀再夾刀；如果沒有刀具，就可以直接進行夾刀動作。松刀時，系統調用松刀子程序，驅動刀盤推出到換刀位置，同時刀盤旋轉到松刀刀位，主軸從換刀上位移動到換刀下位。到達換刀下位后，系統給出松刀信號，將刀具放置到松刀刀位上，然后再次移動到換刀上位。夾刀時，系統驅動刀盤旋轉到目標刀位，主軸再次移動到換刀下位，得到夾刀信號后，夾取目標刀具。確認夾刀成功后，系統驅動主軸移動到安全高度，刀盤收回到原位。控制系統的換刀流程如圖2所示。

圖2　控制系統換刀流程圖

3控制系統硬件架構設計

自動換刀控制系統，采用工業PC機和PM85A運動控制卡組成上位控制系統。上位機(操作端)用于指令輸入，參數設置和實時監控。下位控制系統主要由朗達運動控制器(端子板)和伺服驅動器組成。控制器負責處理開關量輸入信號，繼電器輸出信號，伺服使能信號，以及編碼器，指令脈沖和模擬輸出信號[7]。

上下位控制系統使用RS485接口實現串行通信，波特率10Mbps。控制系統的硬件結構圖如圖3所示。

圖3　控制系統硬件結構圖

4控制系統軟件設計

4.1人機界面設計

本系統設計的人機交互界面[8]，主要包括三個部分。第一，指令輸入界面，方便用戶直接輸入指令，進行加工，同時，可以保留多條指令隨時可以使用。第二，參數設置界面，參數設置是控制系統的核心，包括當前刀號、目標刀號和刀盤刀號，此外還有換刀速度、換刀位置、安全高度等參數，便于用戶根據實際情況直接建立一套安全可靠的參數；同時，備份多套參數，便于實時調用。第三，實時監控界面[9]，通過檢測裝置反饋的結果，判斷換刀過程是否正常，如果異常，立即停止程序。

4.2手動控制設計

控制系統可以外接多個控制按鈕，包括直接啟動、緊急停止、刀盤正轉和刀盤反轉[10]。手動刀盤正轉和刀盤反轉按鈕是互斥的，按下刀盤正轉，刀庫順時針轉動一個刀位；按下刀盤反轉，刀庫逆時針轉動一個刀位。其主要作用是，便于用戶跳過指令輸入階段，直接操作刀庫。當用戶需要維護刀庫，或者需要手動安裝和卸載刀具的時候，可以直接控制刀盤旋轉。

4.3指令傳遞設計

圖4　控制系統指令傳遞結構圖

當上位機接收到來自軟件或者控制按鈕的指令時，根據條件判斷指令是否合理，對于錯誤的指令直接返回。對于正確的指令，調出相應的子程序，同時根據設置的參數，將子程序中的變量賦值。將可用的子程序，傳輸到代碼解析器中。代碼解析器由詞法分析、語法分析和語義分析三個部分組成，能夠完整的解讀出子程序，將解析結果發送給驅動器，最終由驅動器控制電機完成動作。控制系統指令傳遞結構圖如圖4所示。

5結束語

通過對以運動控制卡為核心的控制系統的研究，以及對數控加工中心刀庫工作原理的分析，設計了基于運動控制卡的斗笠式刀庫自動換刀系統。該控制系統的優勢有：①基于運動控制器的自動換刀控制系統能夠充分利用工業PC機的強大性能，提高系統的穩定性和快速性。②本系統不僅可以通過人機界面實現指令的有效傳輸，也可以通過外接控制按鈕對換刀系統進行啟停和調試，易于操作和維護。③本系統通過軟件編程，結構清晰，擴展性能強，適用于大多數帶斗笠式刀庫的數控加工中心。

[參考文獻]

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[10] 牛軍燕，顧寄南.基于PLC的自動換刀系統研究[J].制造業自動化，2010(6)：35-36.

(編輯趙蓉)

Design of ATC Control System Based on Motion Control Card

ZHU Jian1,SHU Zhi-bing1,ZHENG Zhi-kai2

(1.College of Automation & Electrical Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 211816,China;2.Shanghai Weihong Electronic Technology Co.,Ltd, Shanghai 201100,China)

Abstract：Magazine and tool changer has a significant effect for improving the efficiency of CNC machining centers. The design of ATC control system which is based on motion control card and PC is completed after the work principle of ATC is analyzed. The disc magazine movements, automatic tool selection and the tool changed by spindle are controlled by the motion control card. The using of PC can provides HCI to complete command input, parameters setting and real-time monitoring. Practical application indicates that the control system performance and stability, precise control, simple operation, has a wide range of application value.

Key words：motion control card; ATC system; PC

中圖分類號：TH166;TG659

文獻標識碼：A

作者簡介：朱劍(1991—)，男，江蘇如皋人，南京工業大學碩士研究生，研究方向為數控系統，運動控制，現場總線，(E-mail)867463499@qq.com。

收稿日期：2015-04-10；修回日期：2015-05-09

文章編號：1001-2265(2016)02-0102-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.02.029