数控车床中伺服刀架的应用研究

2014-08-15华淑云

时代农机 2014年2期

华淑云

（齐齐哈尔二机床（集团）有限责任公司，黑龙江齐齐哈尔 161005）

随着数控车床的发展，数控刀架开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展。目前国内数控刀架以电动为主，分为立式和卧式两种。国产数控车床今后将向中高档发展，中档采用普及型数控刀架配套，高档采用动力型刀架，兼有液压刀架、伺服刀架。用伺服电机驱动的伺服刀架系统，定位精度高，动作准确可靠，结构简单。此系统在数控车床中应用越来越广泛，极大地提高了数控机床高速性能和加工能力。

1 数控车床刀架分析

数控刀架作为数控车床的核心部件，可通过一次装夹工件，自动完成车削螺纹、圆弧、端面、内孔、外圆、沟槽等加工工序，适用于机械加工、冶金等行业。在高档数控机床中使用高性能刀架，极大提高了数控车床高速性能和复杂零件的加工能力。现在常用的高性能内刀架根据刀架动力源不同，可分为液压刀架(Hydraulic turret)，即液压刀架由液压马达驱动，可双向旋转，就近选刀。其结构简单，抗偏载能力强；伺服刀架(Servo turret)，伺服刀架用伺服电机驱动，定位精度高，动作准确可靠，可双向旋转，速度快，平稳。常用的私服刀架系统有数控系统+刀塔控制器+伺服驱动器+伺服电机；数控系统+伺服驱动器+伺服电机。目前数控刀架伺服系统发展趋向于第二种方案，具体优势是方案优势节约成本，可以省去原来的刀架控制器；线路简化，降低故障率；提高系统可靠性；增加系统使用寿命；再次上电不需回零位操作，简化操作流程；提高加工效率，刀架可在最短的时间内定好位，节约换刀时间；其要求:

（1）伺服驱动器能设置最多个工位，比如 4、6、8、10及12工位，通过BCD编码分别选择1～12个工位段，伺服运转方式为多段位置控制，通过DI端子选择，而伺服驱动器从当前位置到目标位置应以绝对位置最短距离执行。

（2）伺服以BCD码的形式输出当前位置信号，每个位置定位完成后要输出定位完成信号。

（3）若伺服出故障，则输出故障报警信号。

（4）要求伺服有记忆位置的功能，当断电时，伺服要将当前位置存储，再上电时，调出来给系统输出当前位置信号。刀位一般都是等分的，下面以12个刀位，伺服电机减速比为1:12为例，则一个广义圆周为120000个脉冲。

2 数控机床伺服系统关键技术分析

（1）伺服刀架伺服系统构成及电气设计。伺服刀架伺服系统由伺服电机、刀架控制单元、CNC系统、液压系统、刀架本体等组成，刀架控制单元通过接口CNC与刀架本体相连接，获取刀架本体上锁紧信号、回零信号、电机热保护监测信号和增量脉冲信号。刀架伺服系统电气设计中，将刀架控制单元发出的刀架锁紧和放松信号连接到两个中继线圈上，以实现中间继电器控制液压系统中刀架锁紧和放松电磁阀动作。CNC通过系统I/O模块与刀架控制单元输入接口CN2,输出接口CN1相连接。CNC内置的PMC对刀架控制单元的输入输出信号进行运算和处理。

（2）伺服刀架控制原理及工作流程。在伺服刀架运行前首先设定功能模式，接着由CNC向控制单元的I/O接口CN2中PBITOI,PBIT02,PBIT04,PBIT08,PBIT16共5位刀具号，及奇偶校验位PARITY进行赋值，刀架回零时需全部赋数值0，对用户输入的T指令，由CNC进行译码处理后，给PBITOI-PBIT16,PARITY分别赋刀具值和奇偶校验码。最后启动控制单元的PSTART信号并维持30ms以上，即可实现伺服刀架的回零、自动换刀、手动正反转选刀等操作。值得注意的一点，伺服刀架在数控机床每次通电后，必须进行刀架的回零操作，否则刀架将无法运行。刀架锁紧信号(LOCKED)常态为1，在换刀开始和结束时将发生跳变。当出现刀具索引信号(INDEXD)为1时，同时锁紧信号发生0到1的跳变，即可判断换刀过程已结束。

（3）伺服刀架调试中关键问题分析。首先确保电气连接的准确与安全，其次保证在机床实际工况下，电气连接的可靠与稳定。刀架伺服系统中液压系统主要控制刀架的锁紧和放松，锁紧压力稳定在4兆帕左右，液压系统的好坏直接决定刀架的可靠运行，刀架锁紧信号(LOCKED)状态的实时监测，可避免刀架的误动作和撞刀，在PMC控制程序中，要将锁紧信号作为关键控制条件来处理，一旦在工件加工过程中锁紧信号发生变化，CNC需立即产生急停报警，同时切断机床伺服轴、主轴及伺服刀架的动力电源。刀架控制单元上有信号监测窗口，调试中可实时了解刀架本体的各种信号状态及刀架报警代码。在出现任何报警代码时，刀架将无法运行，调试中必须将MODE1-MODE3赋数值零即可将报警复位，同时根据报警代码排查故障原因，待报警原因处理完毕，才可进行刀架的运行功能调试。