通用加工中心飞碟式刀库硬件的设计与应用开发

李本红

（佛山职业技术学院，广东 佛山 528137）

0 引言

针对国内制造业高精度，产品工业设计复杂程度的增加，非标制造设备行业的快速发展，对非标高速加工中心的需求越来越多，可靠性要求也越来越高。高速加工中心作为数控机床的代表，其高速、高效、高精度等性能，在高精度制造业设备中占有不可替代的地位，国内许多非标数控机床厂的设计和开发能力具有国际水平或接近国际水平。然而国内许多非标设备制造企业在高速主轴，高速进给的前提下提出对高品质高速加工中心提出更高的换刀要求。本文采用台湾东元交流伺服驱动器和台安飞碟刀库进行改装高速非标刀库，并对绝对式刀库系统硬件进行了设计开发和东元伺服驱动器参数进行优化和调整，实现了高速换刀的要求。

1 非标刀库系统的设计

PYA 系列高速加工中心，是自主开发研制的高速非标加工中心机床，主要针对铝型材非标加工，主轴转速15000r/min，主轴额定扭矩52Nm，X 轴快速移动速度60m/min，Y、Z 轴快速移动速度48m/min，X、Y、Z 三轴进给速度36m/s2。飞碟式刀库的结构如图1 所示, 它是由回转体和分布其上面的刀夹单元及伺服驱动电机等组成。刀库伺服驱动器采用东元JSDAP-30 交流伺服驱动器，配套伺服电机采用JSMA-PSC08A7（功率为0.75kW，力矩为2.39Nm，转速3000rpm，额定电流5A，输出电压0～230V，编码器规格为17BIT 绝对编码器），刀库采用台安飞碟式16 位刀库。

图1 刀库结构示意图Fig.1 Tool magazine Schematic

针对非标高速主轴和高速刀库系统的要求，目前主流刀库系统为盘式刀库、链式刀库和斗笠式刀库，因采用PMC 寻刀，对刀库原点需要进行判断，换刀过程复杂，换刀过程需时较长，需要5s 以上的时间，有些换刀时间更达到10s 以上，因铝型材企业的要求，换刀时间要在3s 以内，经过开发，采用伺服驱动器代替PMC驱动接触器的方法进行开发，刀库采用直取式飞碟式16 位或24 位刀库，绝对式飞碟刀库减少了还刀时间和寻刀时间，节约了换刀时间，提高了换刀效率。

2 控制系统设计

采用东元伺服驱动器进行刀库系统设计，主要分为伺服控制器主电路设计、参数设定设定两大块，主电路设计包含系统接线总体设计和电路设计。下面分别介绍系统设计的具体内容。

（1）系统结构框图。东元伺服驱动器可以承受较大的瞬时短路冲击电流（低于500A），但为避免系统的冲击电流对其他控制线路的冲击和误动作，系控制系统统设计需要设计断路器进行短路保护，同时为避免线网过压或过流对系统造成损害，线路还需要设计电源滤波器去除线网瞬时过压等保护线路。

东元伺服驱动器可以直接驱动东元伺服电机JSDAP伺服电机，反馈采用三相编码器进行反馈控制。对飞碟式快速刀库的控制主要利用CN1 接口进行，主要保护系统的控制信号的接收和反馈控制信号（具体见伺服驱动器控制模式及参数设定），CN3 主要提供现场调试参数用。具体系统控制框图见图2 所示。

（2）系统主电源接线控制。东元伺服驱动控制系统主电源控制结构简单，具体接线如图3 所示。电源滤波器采用RCM-601BUZ-4，额定电压250V，频率50～60Hz，外部刹车电阻采用200W39Ω 瓷管电阻。R、S、T 为电源进线，通过交流接触器MC 的主触点引入，U、V、W为电源出线，接东元JSDAP 交流伺服电机，r、s 为东元伺服驱动器工作电源。FG 为接地点。

图3 刀库伺服控制系统主电源接线图Fig.3 Tool magazine servo control system is the main power supply wiring diagram

（3）伺服驱动器控制连接及参数设定。由于台安飞碟式快速刀库输入输出的形式是NPN，而东元伺服系统识别的是PNP 形式；所以加工中心需要用电气控制柜中的24V 继电器进行24V 的转换。伺服驱动器控制飞碟式刀库的运转信号来源于FUNAC 0I MATE MD 系统的I/O link 的信号。伺服驱动器与系统的连接如图4 所示。伺服驱动器驱动刀库进行选刀信号由I/O link CB104 输出，刀库采用16 位刀库，选刀信号以2 进制进行选刀，4 位2 进制刚好满足16 把刀（24=16），刀库反馈信号输入CB105也采用2 进制进行反馈。

图4 东元伺服驱动器与FUNAC I/O LINK 系统接线Fig.4 Teco servo drives and FUNAC I/O LINK system wiring

在调试机床的刀库原点时，如果刀库乱刀或者位置不准的时候，先将面板模式开关拨到原点模式，执行代码M77，再进行急停，同时把刀库位置用手动的方法进行扳正，再执行代码M79，完成以上操作后，刀库现有位置就会成为原点位置，为刀库提供原点位置参数。

在刀库实际使用中还要对东元JSDAP 伺服驱动器重点参数进行设定，参数设定完必须使伺服驱动系统重新上电，因为系统重启后才能使参数生效。具体几个重点参数设定如下：

Cn29=1：恢复出厂设置，关电再上电；Cn01=9：刀库模式（参数设置后需重新设置其他参数）；Cn25=20：机床惯量（按照台安飞碟式刀库参数要求设定）；qn501=40：速度增益；qn502=100：速度积分时间；qn505=40：位置增益；dn05=1：点动正反转；201=50：点动速度设定；Pn324=16：刀盘数量；Pn326=80：减速比（出厂设定值为128）；Pn327=2800：换刀速度；Pn313=50：换刀加减速。

3 结论

本刀库系统设计开发后, 已经在PYA 系列数控加工中心上应用，达到了合作开发设计目的，换刀速度与国外同类高速加工中心产品的水平相当，其性能可靠，换刀过程平稳，换刀过程无过冲，运动平衡无冲击，使得告诉加工中心的加工速度有了很大的提升，提升了国产化率和自主开发的能力指数，降低了生产成本，对加工中心刀库设计有一定参考价值, 值得推广。

[1]曹秋霞，马国亮. 小型立式加工中心圆盘式刀库的设计[J].机电产品开发与创新，2005.

[2]张世民. 机械原理[M]. 北京：中央广播电视大学出版社，1992.

[3]邓召义.实用机械电子技术设计手册（机械部分）[M].北京：机械工业出版社，2001.

[4]彭文.槽轮机构在加工中心鼓轮式刀库上的应用[J].机械工程师，1999.

[5]廉元国.加工中心设计与应用[M]. 北京：机械工业出版社，1995.

[6]周建东.加工中心盘式刀库的设计[J].工艺与装备，2007，8.