刀塔是數(shù)控車床的重要功能部件，其結(jié)構(gòu)性能直接影響機(jī)床整體運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性和工作效率。轉(zhuǎn)位精度是衡量數(shù)控刀塔的一個(gè)重要指標(biāo)，在電動(dòng)和液壓刀塔中定位是靠檢測(cè)接近開關(guān)來完成的，這種定位方式存在精度低、易損壞等缺點(diǎn)，已不能適應(yīng)數(shù)控機(jī)床對(duì)核心功能部件的要求。伺服刀塔與傳統(tǒng)的液壓、電動(dòng)刀塔相比，具有轉(zhuǎn)位速度快、轉(zhuǎn)位精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，符合當(dāng)今機(jī)床朝著高速、高精度方向發(fā)展的趨勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外中、高檔數(shù)控車床中。

1 伺服電機(jī)的工作原理及其特性

　　伺服電機(jī)又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，分為直流和交流伺服兩類。其內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制的U／VIW三相電形成電磁場(chǎng)．轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，以此調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。伺服電機(jī)的特性是在無控制信號(hào)時(shí)不轉(zhuǎn)動(dòng)，有效地克服了電機(jī)的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，具有良好的控制性。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本次設(shè)計(jì)以Fanuc Oi數(shù)控系統(tǒng)的PMC為控制核心，以意大利巴拉法蒂公司生產(chǎn)的TBl20伺服刀架為被控對(duì)象，采用DMS08一BF作為伺服驅(qū)動(dòng)裝置。

　　2.1 刀架選型

　　TBl20伺服刀架是意大利巴拉法蒂公司生產(chǎn)的TB刀架系列中的一款，該系列刀架具有高剛性、高可靠性、能承受大的切削力、接口簡(jiǎn)單、適用于各種數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)。TBl20伺服刀架的具體參數(shù)為：刀位號(hào)：8～12；慣量：1.2 kgn12；液壓系統(tǒng)所需壓力：303 bar；允許最大換刀頻率：800次／h：最大允許切線方向扭矩：1100 Nm：最大允許軸向推壓方向扭矩：1200 Nm；最大允許軸向拖拉方向扭矩：700 Nm；不平衡扭矩：10 Nm。TBl20伺服刀架的部分結(jié)構(gòu)如圖1所示。刀架換刀動(dòng)作原理：刀架處于定位(即離合器閉鎖)狀況時(shí)，滾子處于凸輪頂點(diǎn)處。開閉環(huán)與轉(zhuǎn)齒盤及固定齒盤互相嚙合實(shí)現(xiàn)刀架定位。

　　當(dāng)執(zhí)行換刀指令時(shí)，控制系統(tǒng)給電磁閥發(fā)出松開指令，液壓系統(tǒng)先移動(dòng)活塞，牽動(dòng)滾子座轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)滾子由凸輪高點(diǎn)向低點(diǎn)方向移動(dòng)，此時(shí)開閉環(huán)會(huì)受到彈簧的推壓而往后移動(dòng)讓轉(zhuǎn)齒盤松開。刀架松開，接近開關(guān)發(fā)出松開完成信號(hào)給控制系統(tǒng)，并由控制系統(tǒng)給伺服電機(jī)發(fā)出啟動(dòng)指令，伺服電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)。齒輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)齒盤轉(zhuǎn)動(dòng)至預(yù)定位置，并將到位信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)，然后由控制系統(tǒng)發(fā)出電磁鎖緊指令，液壓系統(tǒng)反向移動(dòng)活塞再次將滾子推向凸輪的高點(diǎn)。開閉環(huán)會(huì)受到滾子推壓而往前移動(dòng)與轉(zhuǎn)齒盤及固定齒盤相互嚙合，刀架鎖緊．接近開關(guān)給系統(tǒng)發(fā)出鎖緊完成信號(hào)，刀架完成換刀動(dòng)作。

　　2.2 伺服驅(qū)動(dòng)器選型

　　DMS08-BF伺服驅(qū)動(dòng)模塊具有功能指令豐富、效率高、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，能給用戶提供多種操作模式，刀位號(hào)和報(bào)警信息能在驅(qū)動(dòng)面板上顯示。該驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)置電機(jī)專用數(shù)字處理器，以軟件方式實(shí)現(xiàn)電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的閉環(huán)伺服控制，具備良好的魯棒性和自適應(yīng)能力。適用于對(duì)轉(zhuǎn)速、位置控制要求較高的場(chǎng)合。具體的電器參數(shù)：標(biāo)稱電流8 A；有效峰值電流16 A；輸出頻率0～400 Hz；輸入電壓220(+10％／-15％)V；電源頻率45～60 Hz；剎車電阻(內(nèi)阻)47筋0Hz；電磁過濾器設(shè)置在內(nèi)部。

　　刀位是PMC進(jìn)行邏輯運(yùn)算的重要信息，傳統(tǒng)刀架的刀位是靠檢測(cè)開關(guān)確定，DMS08一BF伺服驅(qū)動(dòng)模塊的刀號(hào)位置反饋在母接頭DB26-Jl(LO.1一LO.2一LO．3-L0.4)上，并以二進(jìn)制的形式反饋當(dāng)前的刀號(hào)位置，如1號(hào)刀位反饋到控制系統(tǒng)中的BCD碼為：0001，具體的刀位反饋信息見表1。其中，“o”表示輸出高電平(+24V)，“-”表示沒有輸出(0 V)。

　　2.3 伺服刀塔的原理

　　伺服刀塔從總體上可以分為3大部分，它們分別為：計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)裝置和刀架，其中，CNC負(fù)責(zé)發(fā)送換刀指令，PMC接收換刀指令后進(jìn)行邏輯運(yùn)算與判斷；伺服驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行PMC發(fā)出的指令并反饋信息給PMC：刀架負(fù)責(zé)安放加工所需的刀具和具體執(zhí)行換刀動(dòng)作。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　可編程機(jī)床控制器(Programmable MachineController,PMC)是由FANUC數(shù)控系統(tǒng)主機(jī)中PMC控制模塊和外置的I／O模塊單元組成。專門用于對(duì)機(jī)床的控制。在刀塔的控制中，PMC根據(jù)CNC、伺服系統(tǒng)以及機(jī)床控制的需要。有機(jī)地協(xié)調(diào)它們之間的關(guān)系，以達(dá)到良好的邏輯控制效果。本次設(shè)計(jì)中用的接口信號(hào)有3類：機(jī)床側(cè)-PMC信號(hào)；CNC++PMC信號(hào)；伺服驅(qū)動(dòng)器-PMC信號(hào)。

　　3.1 運(yùn)行信號(hào)波形

　　運(yùn)行信號(hào)時(shí)序圖說明了刀塔在自動(dòng)換刀方式下?lián)Q刀過程中各信號(hào)動(dòng)作的情況。系統(tǒng)新的換刀請(qǐng)求與啟動(dòng)指令之間應(yīng)該有50 ms的延時(shí)。啟動(dòng)指令保持100 ms以上有效。運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置后，伺服驅(qū)動(dòng)模塊將刀架到位信號(hào)和鎖緊信號(hào)反饋給PMC，經(jīng)PMC確認(rèn)后，向CNC發(fā)出換刀完成信號(hào)。

　　3.2 PMC控制原理及其軟件流程圖

　　當(dāng)CNC發(fā)出換刀T指令(TF：F0007．3=1)后，PMC將接收到的T代碼指令數(shù)據(jù)與刀塔當(dāng)前刀位數(shù)據(jù)進(jìn)行比較判別，若一致時(shí)．刀塔鎖緊檢測(cè)(PX.Lock：XO001.1=1)，關(guān)斷伺服驅(qū)動(dòng)器(SVF：YOOOO.2=0)，完成換刀動(dòng)作(T.FIN：G0005.3=1)；若不一致時(shí)，根據(jù)目標(biāo)刀號(hào)位置與當(dāng)前刀號(hào)位置，計(jì)算出最優(yōu)路徑并接通伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出刀塔松開指令(EV．Unlock：Y000.0=1)，待松開檢測(cè)接近開關(guān)發(fā)出松開完成信號(hào)(PX.UMock：X0001.0=1)后，令伺服電機(jī)轉(zhuǎn)向指令目標(biāo)位置運(yùn)動(dòng)，目標(biāo)位置到達(dá)后，伺服系統(tǒng)將到位信號(hào)(ST.INDEX：X0001.3=1)送給PMC，PMC經(jīng)比較確認(rèn)后命令刀塔鎖緊(EV.Lock=1)。待鎖緊檢測(cè)接近開關(guān)發(fā)出鎖緊完成信號(hào)(PX.Lock：X0001.1=1)后，關(guān)閉伺服驅(qū)動(dòng)器并發(fā)出T代碼結(jié)束信號(hào)(T.FIN：G0005.3=1)送給CNC，CNC在收到T．FIN后，經(jīng)過系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定的延時(shí)，將TF選通信號(hào)恢復(fù)“0”狀態(tài)，完成換刀動(dòng)作，CNC繼續(xù)執(zhí)行下一段程序。

4 結(jié)束語

　　本文介紹了伺服刀塔的硬件和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法．該刀塔采用伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，利用驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行位置精確控制，不僅簡(jiǎn)化了刀塔的機(jī)械結(jié)構(gòu)，而且提高了轉(zhuǎn)位速度和精度，使其可靠性增強(qiáng)．有效地滿足了數(shù)控機(jī)床對(duì)功能部件的要求，廣泛應(yīng)用在中、高檔數(shù)控車床上，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。