基于開放式數控機床的智能換刀系統研究

宋明偉 史文雅 張欣 王國章 易祥云 賈衛濤

摘要：基于PLC構建傳統自動換刀系統，是通過PLC程序對刀具的選擇、換刀時機的確定等進行控制的系統。其系統主要是依靠編程人員實現的一種自動換刀，該系統不僅導致機床工作的效率降低，甚至還可能會危及到數控機床以及相關操作人員自身的安全。因此，文章對開放式數控機床的智能換刀系統進行了研究，并對智能換刀系統的硬件進行了簡單的分析，從而提出了基于開放式數控機床的智能換刀系統設計方案。

關鍵詞：智能換刀;開放式數控機床;智能系統;研究;設計

前言：為了進一步推動傳統加工制造業與智能技術兩者之間的深度融合，隨著加工制造過程當中對相關技術的要求不斷提升，及時、高效且準確的智能換刀系統成為了當下需要研究的方向，也是現代智能化加工企業的必然選擇。因此，如何有效的處理刀具破損、斷裂及磨損等對企業造成的問題，實現數控加工過程中智能換刀的問題，是現階段有待解決的事情。

一、基于開放式數控機床的智能換刀系統設計

首先，基于開放式數控機床進行設計的智能換刀系統，是通過采用層級式的方式進行設計而成。結合相應的硬件控制設備驅動模塊作為智能換刀系統的底層，將其換刀的控制程序作為中間層等。因此，所設計出來的智能換刀系統的硬件控制設備的底層驅動程序內核，基于開放式數控機床系統，在驅動硬件控制設備下，可以進行實時環境工作。

（一）智能換刀系統硬件體系的結構

1、基于開放式數控機床系統層級體系以及其換刀功能部件

基于開放式數控機床的智能換刀系統設計而成的具備決策能力、感知能力以及控制功能的智能化開放式數控系統，是基于五層理論信息物理系統，所實現的智能化機床節點信息物理系統。同時，還對數控機床加工的過程與智能化制造過程的機床狀態上，進行了層級劃分。在數控機床層次化運行與管理模型的構建過程中，將數控機床的加工環境、加工參數以及監測的信息、線上智能決策信息、計算結果、自修復信息與故障診斷等方面進行了有機融合，從而實現數控機床系統的智能化。而利用RTX所提供的進程間通訊模式，對數控通信進行處理。因此，數控機床的運動控制動態行為，用通用層級式有限狀態機模型進行表示的話，具體模型見下圖表1。所以，購進出來的智能化數控系統層級架構，可以將其模塊分為管理層、執行層、操作層等是3個層次，最后利用FSM對機床實現自動配置、自動調整與自動優化。

2、智能換刀系統的硬件結構

此外，基于開放式數控機床系統的硬件體系結構中，其內部安裝的不同功能類型的PCI 板卡工業控制計算機主體，具體工程機構見圖表2。當智能換刀系統在工作過程，板卡會通過在工控機上面的PCI卡槽和工控機記進行相連，而控制板卡接線端子會與數控機床之間相互連接，最后通過電纜線，對信號的輸入與控制信號的輸出進行實時采集。當智能換刀系統在工作的過程當中，可以通過上位機軟件的編程實現，工控機和已經安裝的板卡初始化、數據采集以及控制信號的發送。

同時，基于開放式數控機床的智能換刀系統的換刀部分功能部件，主要包括了刀庫電機、ATC電機以及PCI控制板卡和PNP計數傳感器等各方面相信的組件。具體見下圖表3。而PCI控制板卡作為該智能換刀系統的控制部分的核心部件，當數控機床在RTX實時環境下工作時，不同的控制板卡對數控機床會分別實現數據采集功能與邏輯功能控制。

（二）智能換刀系統的硬件搭建

首先，數控機床的智能換刀系統硬件方式，是基于開放式數控機床系統的硬件體系結構，利用控制板卡偽五軸機床刀庫電機、ATC電機等相關的硬件控制設備進行搭建而成的系統。同時，智能換刀系統的搭建，不僅實現了控制板卡與五軸加工中心換刀系統刀庫、換刀機械手臂等各方面部件電路之間的互相連接，還在工控機內部的板卡安裝后，促使外圍控制電路中板卡輸入、輸出接線端子和加工中心的換刀控制電路繼電器等多方設備之間進行了連接，從而使得智能換刀系統的硬件控制板卡和加工中心的換刀系統兩者至今的護理連接得以實現。

其次，當系統中的PCI控制板卡接收選刀信號后，經過相應的運算處理之后，刀庫電機就會自動驅動刀庫進行旋轉運動，最后，對經過計數傳感器將設備中的信號反饋與控制板卡。而控制板卡的功能就是對系統的信號邏輯關系進行處理，以此來控制刀庫電機的啟動與停止。

二、智能換刀系統的整體控制方案

（一）智能換刀系統工作過程分析

結合開放式數控機床的換刀系統結構，和數控系統層級體系進行設計的智能換刀系統整體控制方案，在智能換刀過程中，刀庫的刀具經過監測傳感器對刀具數據狀態進行了實時反饋。如果，當刀具在加工過程中無法滿足加工的需求時，開放式數控機床系統的加工主程序就會進行智能換刀。并在切削加工過程進程掛起時，實施智能換刀系統子進程，讓智能換刀系統對刀具進行智能化決策選擇。最后將結果，發送到執行機構的控制程序上以此來實現換刀指令。不過具體的刀具換刀需求需要由實際情況而定。當刀具換刀完成后，主進程中斷將繼續實施切削加工[1]。具體過程見下圖表4。

（二）系統分層控制設計方案

利用開放式數控系統層級構建的理論模型的系統分層控制設計方案具體狀況如下：

1、底層硬件驅動

該部分系統控制，主要是針對微軟系統中不同的硬件設備的不兼容和地址沖突問題，構建的底層硬件驅動智能換刀系統工作環境，以此來實現數控機床的工作。

2、中間層執行機構

該部分在對換刀過程運動進行控制時，實現對設備中的刀庫電機轉動、電磁閥動作何換刀機械手動作等方面的控制。

3、上層智能決策

該層級，通過對智能算法模型的有效融合，使得數控機床在加工過程當中，結合相應刀具的參數進行計算，并在刀庫中選取可替換的刀具。

結語：

綜上所述，文章簡單的闡述了傳統PLC控制模式下的數控機床換刀裝置系統，并給出了基于開放式數控機床的智能換刀系統研究方希，同時針對其控制設計進行了理論分析，從而實現了數控機床建工過程中的智能換刀功能。

參考文獻：

[1]李宏宇.基于開放式數控的智能換刀系統研究[D].黑龍江：哈爾濱理工大學，2019.

課題：2020年邢臺市市級科技計劃自籌經費課題《基于開放式數控機床的智能換刀系統研究》【課題編號】：2020ZC055。