宋明偉 史文雅 張欣 王國章 易祥云 賈衛(wèi)濤

摘要：基于PLC構(gòu)建傳統(tǒng)自動換刀系統(tǒng)，是通過PLC程序?qū)Φ毒叩倪x擇、換刀時機的確定等進行控制的系統(tǒng)。其系統(tǒng)主要是依靠編程人員實現(xiàn)的一種自動換刀，該系統(tǒng)不僅導致機床工作的效率降低，甚至還可能會危及到數(shù)控機床以及相關(guān)操作人員自身的安全。因此，文章對開放式數(shù)控機床的智能換刀系統(tǒng)進行了研究，并對智能換刀系統(tǒng)的硬件進行了簡單的分析，從而提出了基于開放式數(shù)控機床的智能換刀系統(tǒng)設計方案。

關(guān)鍵詞：智能換刀;開放式數(shù)控機床;智能系統(tǒng);研究;設計

前言：為了進一步推動傳統(tǒng)加工制造業(yè)與智能技術(shù)兩者之間的深度融合，隨著加工制造過程當中對相關(guān)技術(shù)的要求不斷提升，及時、高效且準確的智能換刀系統(tǒng)成為了當下需要研究的方向，也是現(xiàn)代智能化加工企業(yè)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(yè)造成的問題，實現(xiàn)數(shù)控加工過程中智能換刀的問題，是現(xiàn)階段有待解決的事情。

一、基于開放式數(shù)控機床的智能換刀系統(tǒng)設計

首先，基于開放式數(shù)控機床進行設計的智能換刀系統(tǒng)，是通過采用層級式的方式進行設計而成。結(jié)合相應的硬件控制設備驅(qū)動模塊作為智能換刀系統(tǒng)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(tǒng)的硬件控制設備的底層驅(qū)動程序內(nèi)核，基于開放式數(shù)控機床系統(tǒng)，在驅(qū)動硬件控制設備下，可以進行實時環(huán)境工作。

（一）智能換刀系統(tǒng)硬件體系的結(jié)構(gòu)

1、基于開放式數(shù)控機床系統(tǒng)層級體系以及其換刀功能部件

基于開放式數(shù)控機床的智能換刀系統(tǒng)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(shù)控系統(tǒng)，是基于五層理論信息物理系統(tǒng)，所實現(xiàn)的智能化機床節(jié)點信息物理系統(tǒng)。同時，還對數(shù)控機床加工的過程與智能化制造過程的機床狀態(tài)上，進行了層級劃分。在數(shù)控機床層次化運行與管理模型的構(gòu)建過程中，將數(shù)控機床的加工環(huán)境、加工參數(shù)以及監(jiān)測的信息、線上智能決策信息、計算結(jié)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(xiàn)數(shù)控機床系統(tǒng)的智能化。而利用RTX所提供的進程間通訊模式，對數(shù)控通信進行處理。因此，數(shù)控機床的運動控制動態(tài)行為，用通用層級式有限狀態(tài)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(shù)控系統(tǒng)層級架構(gòu)，可以將其模塊分為管理層、執(zhí)行層、操作層等是3個層次，最后利用FSM對機床實現(xiàn)自動配置、自動調(diào)整與自動優(yōu)化。

2、智能換刀系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

此外，基于開放式數(shù)控機床系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)中，其內(nèi)部安裝的不同功能類型的PCI 板卡工業(yè)控制計算機主體，具體工程機構(gòu)見圖表2。當智能換刀系統(tǒng)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(shù)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(tǒng)在工作的過程當中，可以通過上位機軟件的編程實現(xiàn)，工控機和已經(jīng)安裝的板卡初始化、數(shù)據(jù)采集以及控制信號的發(fā)送。

同時，基于開放式數(shù)控機床的智能換刀系統(tǒng)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(shù)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(tǒng)的控制部分的核心部件，當數(shù)控機床在RTX實時環(huán)境下工作時，不同的控制板卡對數(shù)控機床會分別實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能與邏輯功能控制。

（二）智能換刀系統(tǒng)的硬件搭建

首先，數(shù)控機床的智能換刀系統(tǒng)硬件方式，是基于開放式數(shù)控機床系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)，利用控制板卡偽五軸機床刀庫電機、ATC電機等相關(guān)的硬件控制設備進行搭建而成的系統(tǒng)。同時，智能換刀系統(tǒng)的搭建，不僅實現(xiàn)了控制板卡與五軸加工中心換刀系統(tǒng)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(nèi)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(tǒng)的硬件控制板卡和加工中心的換刀系統(tǒng)兩者至今的護理連接得以實現(xiàn)。

其次，當系統(tǒng)中的PCI控制板卡接收選刀信號后，經(jīng)過相應的運算處理之后，刀庫電機就會自動驅(qū)動刀庫進行旋轉(zhuǎn)運動，最后，對經(jīng)過計數(shù)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(tǒng)的信號邏輯關(guān)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(tǒng)的整體控制方案

（一）智能換刀系統(tǒng)工作過程分析

結(jié)合開放式數(shù)控機床的換刀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，和數(shù)控系統(tǒng)層級體系進行設計的智能換刀系統(tǒng)整體控制方案，在智能換刀過程中，刀庫的刀具經(jīng)過監(jiān)測傳感器對刀具數(shù)據(jù)狀態(tài)進行了實時反饋。如果，當?shù)毒咴诩庸み^程中無法滿足加工的需求時，開放式數(shù)控機床系統(tǒng)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(tǒng)子進程，讓智能換刀系統(tǒng)對刀具進行智能化決策選擇。最后將結(jié)果，發(fā)送到執(zhí)行機構(gòu)的控制程序上以此來實現(xiàn)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?shù)毒邠Q刀完成后，主進程中斷將繼續(xù)實施切削加工[1]。具體過程見下圖表4。

（二）系統(tǒng)分層控制設計方案

利用開放式數(shù)控系統(tǒng)層級構(gòu)建的理論模型的系統(tǒng)分層控制設計方案具體狀況如下：

1、底層硬件驅(qū)動

該部分系統(tǒng)控制，主要是針對微軟系統(tǒng)中不同的硬件設備的不兼容和地址沖突問題，構(gòu)建的底層硬件驅(qū)動智能換刀系統(tǒng)工作環(huán)境，以此來實現(xiàn)數(shù)控機床的工作。

2、中間層執(zhí)行機構(gòu)

該部分在對換刀過程運動進行控制時，實現(xiàn)對設備中的刀庫電機轉(zhuǎn)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(shù)控機床在加工過程當中，結(jié)合相應刀具的參數(shù)進行計算，并在刀庫中選取可替換的刀具。

結(jié)語：

綜上所述，文章簡單的闡述了傳統(tǒng)PLC控制模式下的數(shù)控機床換刀裝置系統(tǒng)，并給出了基于開放式數(shù)控機床的智能換刀系統(tǒng)研究方希，同時針對其控制設計進行了理論分析，從而實現(xiàn)了數(shù)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(shù)控的智能換刀系統(tǒng)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(jīng)費課題《基于開放式數(shù)控機床的智能換刀系統(tǒng)研究》【課題編號】：2020ZC055。