王 恒，任德勇，張 謙

（漢川數(shù)控機(jī)床股份公司技術(shù)中心，陜西漢中723000）

基于840DSL系統(tǒng)刀具管理的帶傳輸?shù)段坏乃欧稁鞈?yīng)用

王 恒，任德勇，張 謙

（漢川數(shù)控機(jī)床股份公司技術(shù)中心，陜西漢中723000）

基于840DSL系統(tǒng)的刀具管理功能，介紹了對(duì)帶有傳輸?shù)段坏乃欧稁?；使用該系統(tǒng)的分度軸、PLC軸和模態(tài)旋轉(zhuǎn)軸功能實(shí)現(xiàn)刀庫控制的一種方法，描述了刀庫配置生效后PLC程序?qū)崿F(xiàn)伺服刀庫手動(dòng)旋轉(zhuǎn)和自動(dòng)備刀到傳輸?shù)段坏倪^程。

伺服刀庫；分度軸；模態(tài)擴(kuò)展的旋轉(zhuǎn)軸；FC6；FC18；傳輸?shù)段?/p>

1 引言

隨著加工中心機(jī)床對(duì)換刀快速和準(zhǔn)確性要求的提高，機(jī)床刀庫廠商對(duì)刀庫的結(jié)構(gòu)也做了更多更復(fù)雜的改進(jìn)以滿足這種更高的需求，采用伺服電機(jī)對(duì)刀庫旋轉(zhuǎn)定位，增加刀具傳輸裝置以降低換刀機(jī)構(gòu)的等待時(shí)間，如圖1所示的刀庫，即為加工中心機(jī)床上使用的帶刀具傳輸裝置并由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的刀庫。840DSL系統(tǒng)具有完善、強(qiáng)大和高效的刀具管理功能，充分合理地應(yīng)用840DSL系統(tǒng)的管理功能給機(jī)床刀庫控制帶來了很大的便捷。

2 刀庫結(jié)構(gòu)及其換刀原理

刀庫的安裝結(jié)構(gòu)如圖1所示，刀庫由以下幾部分組成。

圖1 刀庫結(jié)構(gòu)圖

（1）刀庫電機(jī)采用西門子伺服電機(jī)（電機(jī)編碼器為絕對(duì)編碼器）。刀庫傳動(dòng)減速比m＝120；刀庫刀具容量為N＝60；刀庫相鄰刀套的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間t＝0.4s；

（2）刀庫的機(jī)械手1為換刀機(jī)構(gòu)，機(jī)械手2為刀具傳輸機(jī)構(gòu)；

（3）搖擺副刀套用于刀具的傳輸；

（4）刀庫卸刀油缸。

通過刀庫電機(jī)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)刀具的選擇，由刀具傳輸機(jī)械手2的左右、上下和旋轉(zhuǎn)移動(dòng)將刀具裝入搖擺副刀套來完成備刀。再由主軸換刀機(jī)械手1的旋轉(zhuǎn)將新刀具裝入主軸，舊刀具還回副刀套來完成機(jī)床的自動(dòng)換刀。卸刀油缸用于刀庫手動(dòng)裝卸刀。

3 刀庫配置

依據(jù)刀庫結(jié)構(gòu)及其換刀工作原理，該刀庫采用固定換刀。刀具管理配置1個(gè)60刀位的真實(shí)刀庫，1個(gè)6刀位的緩沖區(qū)刀庫，1個(gè)2刀位的裝載站刀庫。840DSL系統(tǒng)刀具管理的配置文件中添加如下內(nèi)容：

系統(tǒng)刀具管理功能激活并且配置文件運(yùn)行后，刀具表如圖2所示。

圖2 刀具表

4 副刀套換刀控制

副刀套作為刀庫換刀過程中的刀具中轉(zhuǎn)點(diǎn)，不但要傳輸來自刀庫的新刀具，還要傳輸來自主軸歸還的舊刀具。機(jī)床在執(zhí)行換刀時(shí)，將新刀具備在刀庫當(dāng)前位置，舊刀具歸還到刀庫目標(biāo)位置，才算一次換刀完成，中間刀具通過移動(dòng)刀臂的移動(dòng)可由PLC很簡(jiǎn)單地執(zhí)行。因此，機(jī)床換刀的時(shí)候，既要等待新刀從刀庫到副刀套，又要等待舊刀從副刀套到刀庫，很顯然，這個(gè)過程與現(xiàn)在機(jī)床加工的高效和快速是不符的。

為此，應(yīng)用840DSL系統(tǒng)刀具管理的傳輸轉(zhuǎn)換刀位，將機(jī)床刀庫的副刀套定義為緩沖區(qū)轉(zhuǎn)換刀位，并將其綁定給刀庫和主軸，刀具允許在緩沖區(qū)刀庫搜索。

機(jī)床換刀時(shí)，新刀具進(jìn)入副刀套為備刀完成，舊刀具進(jìn)入副刀套即換刀完成。將刀具從刀庫到副刀套的一系列動(dòng)作在預(yù)選刀進(jìn)行，從副刀套到刀庫的一系列動(dòng)作與主軸后續(xù)動(dòng)作同步進(jìn)行。

相對(duì)于主軸換刀，定義刀庫和副刀套之間的刀具移動(dòng)為副刀套換刀。副刀套換刀的目的就是有主軸換刀指令時(shí)，判斷副刀套中有無刀具，是不是新刀具，換刀指令要向副刀套裝入刀具，將副刀套中的刀具移出。主軸換刀指令類型有：①還刀；②抓新刀；③交換刀；④固定換刀。副刀套的狀態(tài)分為三種情況：①無刀具；②有刀具，不是新刀具；③有刀具并且是新刀具。副刀套狀態(tài)結(jié)合換刀指令類型，可歸納總結(jié)出副刀套換刀的指令如表1所示。PLC程序?qū)Φ毒邆鬏敊C(jī)械手2的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)進(jìn)行控制，只需按照副刀套換刀指令表，分5種情況進(jìn)行控制，并具體的PLC編程，還可充分使用跳轉(zhuǎn)指令，簡(jiǎn)化PLC程序，減少同樣的動(dòng)作，重復(fù)編程，更好地減少系統(tǒng)資源占用。和主軸換刀一樣，PLC控制刀臂的實(shí)際動(dòng)作，刀具管理應(yīng)答相應(yīng)步驟的刀具改變。

表1 副刀套換刀的指令

副刀套換刀采用刀具移動(dòng)異步應(yīng)答，異步應(yīng)答便于預(yù)選刀和副刀套還刀，同時(shí)主軸能夠執(zhí)行其它操作而不受其影響。刀具移動(dòng)的目標(biāo)刀庫號(hào)、刀位號(hào)、源刀庫號(hào)、刀位號(hào)見表1。PLC程序應(yīng)為副刀套（9998，4）設(shè)計(jì)一個(gè)掉電保持的整數(shù)數(shù)據(jù)，用于記錄副刀套中的刀具。

表2 副刀套換刀異步應(yīng)答刀具移動(dòng)表

例如：刀具由副刀套到卡抓4的異步應(yīng)答

5 刀庫轉(zhuǎn)動(dòng)／選刀控制

由于刀庫電機(jī)采用的是伺服電機(jī)，故而刀庫需設(shè)置為一個(gè)NC控制軸，該軸的配置方法、回零操作等與其它NC軸相同。眾所周知，刀庫旋轉(zhuǎn)一周后，回到初始刀位，而且旋轉(zhuǎn)停止后，必須要在一個(gè)完整的刀套處。鑒于刀庫的旋轉(zhuǎn)特點(diǎn)，該系統(tǒng)的模態(tài)旋轉(zhuǎn)軸和等分分度軸功能為刀庫軸提供了很完美的解決方案。

通常模態(tài)旋轉(zhuǎn)軸是以一圈為360°來定義的（系統(tǒng)默認(rèn)模態(tài)范圍是360°），對(duì)于刀庫軸如若將模態(tài)范圍亦設(shè)置為360°，則軸的旋轉(zhuǎn)速度V為：

其中：N為刀庫旋轉(zhuǎn)一圈的刀位數(shù)，t為刀庫相鄰刀套的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間。

電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度V1為：

其中：N為刀庫旋轉(zhuǎn)一圈的刀位數(shù)，t為刀庫相鄰刀套的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，m為軸的傳動(dòng)減速比。

由式（1）和式（2）可計(jì)算出圖1所示刀庫軸的旋轉(zhuǎn)速度V為2.5rpm，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度V1為300rpm。刀庫軸實(shí)際旋轉(zhuǎn)時(shí)將會(huì)很慢，系統(tǒng)診斷電機(jī)轉(zhuǎn)速卻又正確。很顯然，刀庫減速比是不會(huì)錯(cuò)的，因?yàn)檫@是刀庫性能參數(shù)。由刀庫結(jié)構(gòu)圖1中電機(jī)主動(dòng)輪與刀庫的連接，不難看出電機(jī)主動(dòng)輪每轉(zhuǎn)一圈，刀庫并不是也轉(zhuǎn)一圈，而是轉(zhuǎn)動(dòng)了10個(gè)刀套。參考西840DSL系統(tǒng)參數(shù)說明，模態(tài)旋轉(zhuǎn)范圍可以是360°的整數(shù)倍，故而，對(duì)模態(tài)旋轉(zhuǎn)范圍進(jìn)行360°擴(kuò)展，將刀庫電機(jī)主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)一圈的角度定義為360°，則刀庫旋轉(zhuǎn)一周的模態(tài)角度A為：

其中：N為刀庫旋轉(zhuǎn)一圈的刀位數(shù)，n為刀庫主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)一圈的刀位數(shù)。

式（1）和式（2）中刀庫旋轉(zhuǎn)一圈的刀位數(shù)N應(yīng)調(diào)整為主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)一圈的刀位數(shù)n。根據(jù)上述方案，結(jié)構(gòu)圖1所示刀庫的模態(tài)旋轉(zhuǎn)軸設(shè)置和等分分度設(shè)置如下。

這樣設(shè)置后，在手動(dòng)方式下，按下刀庫（軸）移動(dòng)鍵，刀庫將按選擇的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到松開移動(dòng)鍵而停在下一個(gè)完整的刀套處。

在自動(dòng)或者M(jìn)DI方式下，刀庫旋轉(zhuǎn)的目的主要是為了T代碼選刀，需要將編程的T代碼號(hào)轉(zhuǎn)換為刀庫軸的具體位置，此時(shí)刀庫軸請(qǐng)求為PLC軸，借助系統(tǒng)FC 18：SpinCtrl主軸控制功能通過PLC來控制軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和位置。

由于系統(tǒng)刀具管理源刀位號(hào)DB72.DBW26和舊刀位號(hào)DB72.DBW30數(shù)據(jù)類型為整數(shù)，而FC 18：SpinCtrl主軸控制功能的軸定位位置參數(shù)需要給定為實(shí)數(shù)，在調(diào)用FC18前，要將刀庫旋轉(zhuǎn)的目標(biāo)位置由整數(shù)轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)。FC18的調(diào)用如下。

6 結(jié)束語

本文應(yīng)用840DSL系統(tǒng)刀具管理功能，對(duì)帶有傳輸?shù)段缓陀伤欧姍C(jī)驅(qū)動(dòng)的刀庫選備刀做了詳實(shí)的介紹，通過在HHMC630臥式加工中心的實(shí)際使用，能夠更好地監(jiān)控刀具狀態(tài)和具體位置，方便對(duì)機(jī)床的操作。

［1］SINUMERIK 840Dsl／828D基本功能手冊(cè).西門子（中國(guó)）有限公司.

［2］SINUMERIK 840Dsl／828D擴(kuò)展功能手冊(cè).西門子（中國(guó)）有限公司.

［3］SINUMERIK 840Dsl，SINAMICS S120 機(jī)床數(shù)據(jù)和參數(shù)手冊(cè).西門子（中國(guó)）有限公司.

Application of servo tool with transfer location based on 840DSL tool management system

WANG Heng，REN De－yong，ZHANG Qian
（Hanchuan CNC Machine Tool Co.，Ltd.，Hanzhong 723000，China）

Based on the tool management function of 840DSL system，a method of the servo tool with transfer location is introduced，which using indexing axes，PLC axes and model rotating axesto realize the tool control.The process of the PLC program realizing the manual rotation of the tool and the process from the automatic tooling to the transfer location after the tool configuration are described.

servo tool；indexing axes；model rotating axes；FC6；FC18；transfer location

TM383.4

B

王 恒（1979－），男，陜西省漢中市人，工程師，就職于漢川數(shù)控機(jī)床股份公司技術(shù)中心。

2017－04－05

1005—7277（2017）02—0044—04

任德勇（1978－），男，陜西省漢中市人，工程師，就職于漢川數(shù)控機(jī)床股份公司技術(shù)中心。