基于自主式刀庫(kù)控制系統(tǒng)的研究

基于自主式刀庫(kù)控制系統(tǒng)的研究

自1995年美國(guó)密歇根大學(xué)提出可重復(fù)分配概念以來(lái)，全世界的研究人員都在這方面進(jìn)行了研究，并在機(jī)械系統(tǒng)和控制器的設(shè)計(jì)方面取得了一些成功。為了滿足小微件的完整加工要求，根據(jù)客戶的需求，應(yīng)配備各種功能單元（如刀庫(kù)、高速電源等）。這對(duì)于有效完成新部件和現(xiàn)有系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)非常重要。加工中心自動(dòng)換刀裝置是實(shí)現(xiàn)多工序連續(xù)加工的重要裝置,其結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)加工中心設(shè)計(jì)制造的關(guān)鍵.作者的研究借鑒現(xiàn)有自動(dòng)換刀系統(tǒng),通過(guò)分析客戶的具體要求和四軸微小型精密數(shù)控車銑加工中心的特點(diǎn),確定符合實(shí)際要求的快速自動(dòng)換刀系統(tǒng)總體方案,實(shí)現(xiàn)了在微小型機(jī)床上自動(dòng)換刀刀庫(kù)的可重配置.在此基礎(chǔ)上,優(yōu)化換刀的動(dòng)作步驟,以達(dá)到換刀時(shí)間短、刀具重復(fù)定位精度高和安全可靠的目的.所設(shè)計(jì)的自動(dòng)換刀系統(tǒng)在不增加原有數(shù)控系統(tǒng)控制軸數(shù)的前提下,即可滿足加工中心自動(dòng)換刀的功能要求,這對(duì)今后通用機(jī)床數(shù)控改造中自動(dòng)換刀功能的擴(kuò)展具有參考及借鑒價(jià)值.1隨機(jī)換刀控制目前,國(guó)內(nèi)外加工中心上使用的自動(dòng)換刀方式主要有轉(zhuǎn)塔式自動(dòng)換刀和刀庫(kù)式自動(dòng)換刀兩種.加工中心常見(jiàn)的刀庫(kù)形式主要有盤(pán)式刀庫(kù)、鏈?zhǔn)降稁?kù)以及直線式刀庫(kù)和組合刀庫(kù).盤(pán)式刀庫(kù)中的刀具沿盤(pán)面垂直排列(包括徑向取刀和軸向取刀),沿盤(pán)面徑向排列或呈銳角排列形式的刀庫(kù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,應(yīng)用較多.在微小型車銑機(jī)床中,考慮到機(jī)床結(jié)構(gòu)和空間等因素,確定使用盤(pán)式刀庫(kù)的方案.目前刀庫(kù)中常用的選刀方式有順序選刀和任意選刀兩種.順序選刀方式一般用在固定工藝順序的加工方式中.任意選刀方式分為刀座編碼、刀具編碼和跟蹤記憶等方式.跟蹤記憶方式是目前最常用的,在這種方式中刀具號(hào)及其所在刀座號(hào)一一對(duì)應(yīng)的記憶在數(shù)控系統(tǒng)的PMC中.刀具可存放在任一個(gè)刀座中,刀庫(kù)上的刀具能與主軸上的刀具任意地直接交換,即隨機(jī)換刀.主軸上新?lián)Q刀號(hào)及送回刀庫(kù)上的刀具號(hào),均存儲(chǔ)在PMC內(nèi)部相應(yīng)的存儲(chǔ)單元記憶中.隨機(jī)換刀控制方式需要在PMC內(nèi)部設(shè)置一個(gè)模擬刀庫(kù)的數(shù)據(jù)表,其長(zhǎng)度和表內(nèi)設(shè)置的數(shù)據(jù)與刀庫(kù)的位置數(shù)和刀具號(hào)相對(duì)應(yīng).傳統(tǒng)的刀庫(kù)控制都是由數(shù)控系統(tǒng)及其PMC控制,刀庫(kù)的控制功能包括隨機(jī)換刀選擇、刀具定位等,都由數(shù)控系統(tǒng)直接控制實(shí)現(xiàn).與傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)換刀方式相比,作者提出的是可以實(shí)現(xiàn)一些原有方式不具備的換刀功能,如換刀速度調(diào)整、刀具精度補(bǔ)償?shù)?它采用自主式的刀庫(kù)控制器進(jìn)行換刀操作,把刀庫(kù)作為一個(gè)獨(dú)立的功能模塊和單元,可以使設(shè)計(jì)的微小型刀庫(kù)在不增加原有數(shù)控系統(tǒng)控制軸數(shù)的前提下,任意移植到需要增加刀庫(kù)功能的數(shù)控系統(tǒng)之中,實(shí)現(xiàn)可重配置刀庫(kù)的功能.本刀庫(kù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,在盤(pán)式刀庫(kù)上刀具分兩列布置,刀具總數(shù)為32;在換刀方式的選擇上,由于機(jī)床空間限制,采用無(wú)機(jī)械手換刀方式,換刀時(shí)通過(guò)坐標(biāo)軸的移動(dòng),刀庫(kù)和主軸直接換刀來(lái)實(shí)現(xiàn)取刀、松刀和夾緊動(dòng)作.選刀方式采用任意選刀方式中的刀座編碼方式或跟蹤記憶方式,兩種選刀方式的區(qū)別僅僅在于刀庫(kù)控制器的換刀軟件程序不同.刀庫(kù)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),伺服電機(jī)帶絕對(duì)編碼器.電機(jī)輸出端通過(guò)同步帶輪實(shí)現(xiàn)與盤(pán)式刀庫(kù)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的連接.圖1所示為作者所設(shè)計(jì)的可重配置刀庫(kù)圖.刀庫(kù)系統(tǒng)由接近開(kāi)關(guān)和絕對(duì)編碼器構(gòu)成半閉環(huán)反饋系統(tǒng),不同刀位之間的位置控制通過(guò)絕對(duì)編碼器的坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定.刀庫(kù)每次上電都可以自檢獲得當(dāng)前位置,使刀庫(kù)定位精確.根據(jù)需要可以實(shí)現(xiàn)刀庫(kù)回零操作,以實(shí)現(xiàn)原點(diǎn)校正及消除換刀過(guò)程中產(chǎn)生的累積誤差.刀庫(kù)控制器選擇Omron單軸伺服控制器MCW151E,控制器帶有8個(gè)數(shù)字量輸入口,6個(gè)數(shù)字量輸出口及串行通信口.刀庫(kù)中另外設(shè)置多個(gè)傳感器,用于換刀過(guò)程中的位置檢測(cè)和安全保障,如刀座中有無(wú)刀具的檢測(cè)、原點(diǎn)位置檢測(cè)等.刀庫(kù)控制系統(tǒng)的控制和驅(qū)動(dòng)方式如圖2所示.2刀庫(kù)可以重復(fù)配置系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)2.1控制模塊的實(shí)現(xiàn)在可重配置數(shù)控系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)刀庫(kù)系統(tǒng)的可重配置有多種方案.一種是基于現(xiàn)有系統(tǒng)軸數(shù),即在數(shù)控系統(tǒng)方案確定,無(wú)法再增加控制軸的情況下進(jìn)行刀庫(kù)系統(tǒng)的可重配置;另一種是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初或系統(tǒng)設(shè)計(jì)雖然完成,但系統(tǒng)本身仍然具有擴(kuò)展控制軸的能力的情形下進(jìn)行刀庫(kù)的可重配置.在第一種擴(kuò)展方式下進(jìn)行刀庫(kù)系統(tǒng)的可重配置,實(shí)際上就是在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加一個(gè)可重配置單元.可重配置的控制系統(tǒng)單元技術(shù)包括軟件和硬件兩個(gè)方面.軟件方面總體上要實(shí)現(xiàn)在數(shù)控系統(tǒng)的支持下,對(duì)各控制模塊單元進(jìn)行模塊化控制;硬件方面通過(guò)給所配置的執(zhí)行模塊配置一個(gè)獨(dú)立自主式控制器,用可重配置的自主式控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)可重配置模塊的獨(dú)立控制.用這種方式可以實(shí)現(xiàn)可重配置機(jī)床各種軸的擴(kuò)展,如模擬主軸、定位軸等.而可重配置模塊的自主式控制器通過(guò)通信或其它方式實(shí)現(xiàn)與機(jī)床主控系統(tǒng)的連接,接受機(jī)床主控系統(tǒng)的指令并完成規(guī)定的控制,且返回可重配置模塊的各種反饋和狀態(tài)數(shù)據(jù).如圖3所示.可重配置機(jī)床控制系統(tǒng)與可重配置模塊單元之間實(shí)現(xiàn)信號(hào)交互的幾種方式為:①標(biāo)準(zhǔn)I/O口;②標(biāo)準(zhǔn)串口;③以太網(wǎng)口;④各種標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)總線(如CAN,USB,PROFIBUS總線).圖4為通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)I/O口實(shí)現(xiàn)機(jī)床功能模塊擴(kuò)展的示意圖,數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)機(jī)床和軸控制器之間的標(biāo)準(zhǔn)I/O口進(jìn)行信號(hào)傳遞,軸控制器通過(guò)這種方式接收機(jī)床的控制信息,并將控制狀態(tài)信號(hào)返回給數(shù)控系統(tǒng).可重配置的刀庫(kù)控制系統(tǒng)控制方式選擇如圖4所示的第一種擴(kuò)展方式,其中確定的刀庫(kù)控制器與NC的接口如表1所示.機(jī)床NC外部的輸入信號(hào)用于反饋外部信息和接收操作面板指令(如面板刀庫(kù)回零按鈕、刀庫(kù)開(kāi)門(mén)到位檢測(cè)、刀庫(kù)關(guān)門(mén)到位檢測(cè)、刀庫(kù)導(dǎo)軌到換刀位檢測(cè)等).機(jī)床NC輸出信號(hào)用于控制外部的顯示和其它執(zhí)行元件(如開(kāi)關(guān)門(mén)控制、導(dǎo)軌移入移出控制、面板指示燈等).刀庫(kù)控制器根據(jù)需要也可以連接外部的輸入和輸出信號(hào)(如急停信號(hào)等).2.2軟件完成可重配置的刀庫(kù)控制系統(tǒng)的軟件分機(jī)床側(cè)和自主式刀庫(kù)控制器兩個(gè)部分.2.2.1機(jī)床側(cè)到刀庫(kù)的編碼輸出要實(shí)現(xiàn)刀庫(kù)的可重配置,在機(jī)床側(cè)所要做的工作是譯碼和解碼.與普通帶刀庫(kù)的數(shù)控系統(tǒng)一樣,在機(jī)床PMC中需要首先對(duì)換刀指令進(jìn)行譯碼,將每一個(gè)換刀過(guò)程中給定的刀號(hào)都對(duì)應(yīng)到機(jī)床PMC內(nèi)部的繼電器上,為后續(xù)的編程和編碼做準(zhǔn)備.與普通數(shù)控系統(tǒng)不同的是,要實(shí)現(xiàn)刀庫(kù)系統(tǒng)的可重配置,必須以適當(dāng)?shù)姆绞?將經(jīng)過(guò)機(jī)床PMC譯碼后的刀號(hào)傳遞給刀庫(kù)控制器,為此需要對(duì)譯碼后的刀號(hào)重新進(jìn)行編碼.根據(jù)約定,占用機(jī)床PMC的5個(gè)輸出點(diǎn)作為機(jī)床側(cè)到刀庫(kù)控制器側(cè)的編碼輸出.5個(gè)輸出點(diǎn)中,最高位的信號(hào)如果是1,則表示后面4位是刀號(hào),此時(shí)刀庫(kù)控制器就開(kāi)始接收刀號(hào)信號(hào),進(jìn)而在刀庫(kù)控制器中執(zhí)行換刀程序,刀號(hào)的編碼從0000到1111,可以表示1～16號(hào)刀.刀庫(kù)中兩列的識(shí)別是在機(jī)床PMC中實(shí)現(xiàn)的,刀庫(kù)控制器只識(shí)別1～16號(hào)刀位,在刀庫(kù)控制器中第1及第17把刀代表相同的位置.如果5個(gè)輸出點(diǎn)中的最高位信號(hào)是0,則編碼輸出用于傳遞從機(jī)床PMC到刀庫(kù)控制器的其它控制信號(hào),不同的編碼方式對(duì)應(yīng)不同的含義.相應(yīng)的控制指令包括:系統(tǒng)回零,正轉(zhuǎn)一個(gè)刀位,反轉(zhuǎn)一個(gè)刀位,刀庫(kù)移出,故障復(fù)位等.機(jī)床側(cè)程序的另一個(gè)重要功能就是實(shí)現(xiàn)換刀過(guò)程中的部分順序動(dòng)作和連鎖保護(hù)功能.2.2.2換刀推動(dòng)補(bǔ)償可重配置的刀庫(kù)控制系統(tǒng)的主要功能實(shí)現(xiàn)依賴于自主式刀庫(kù)控制器.刀庫(kù)控制器具體實(shí)現(xiàn)的功能包括:接收機(jī)床PMC的編碼指令,完成譯碼功能;針對(duì)各種不同的譯碼指令完成相應(yīng)的控制功能,如運(yùn)動(dòng)到指定刀位、正向或反向運(yùn)動(dòng)一個(gè)刀位、刀庫(kù)回零等(主要用于消除系統(tǒng)的累積誤差,提高換刀時(shí)的刀柄和電主軸的對(duì)準(zhǔn)精度);完成各個(gè)刀位的定位精度補(bǔ)償功能,主要用于補(bǔ)償由于制造和裝配誤差引起的刀位位置偏移;換刀速度的自動(dòng)調(diào)整功能,針對(duì)換刀過(guò)程中所需轉(zhuǎn)動(dòng)的刀位數(shù)的多少,自動(dòng)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速,可以實(shí)現(xiàn)換刀過(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng)較少及較多的刀位所需的時(shí)間相差不大,從而保證了換刀時(shí)間的相對(duì)均衡;換刀路徑最短功能,可以根據(jù)當(dāng)前刀位和目標(biāo)刀位判斷換刀時(shí)的刀盤(pán)轉(zhuǎn)向,選擇最短的換刀路徑,節(jié)約換刀時(shí)間;報(bào)警和復(fù)位等其它功能.以上功能的實(shí)現(xiàn)都是通過(guò)在自主式刀庫(kù)控制器中進(jìn)行相應(yīng)的程序開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)的.2.3換刀后槽場(chǎng)返刀刀庫(kù)系統(tǒng)中配套的部件包括刀庫(kù)導(dǎo)軌、刀庫(kù)門(mén)及刀庫(kù)中的檢測(cè)元件.刀庫(kù)導(dǎo)軌的作用是使刀庫(kù)在上面滑動(dòng),換刀時(shí)導(dǎo)軌從床頭箱中移出,換刀后導(dǎo)軌退回原位;刀庫(kù)門(mén)的作用是換刀開(kāi)始時(shí)打開(kāi),換刀結(jié)束刀庫(kù)退回原位后關(guān)閉,目的是防止機(jī)床在進(jìn)行工件加工時(shí)金屬切屑和冷卻液污染刀庫(kù);檢測(cè)元件的作用是在換刀過(guò)程中獲得各種狀態(tài)或位置信息,以此控制選刀或回零等動(dòng)作實(shí)現(xiàn).刀庫(kù)門(mén)和刀庫(kù)導(dǎo)軌為氣動(dòng)控制.刀庫(kù)控制中的檢測(cè)和傳感元件主要用于刀庫(kù)門(mén)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)檢測(cè)以及刀庫(kù)導(dǎo)軌的移出和返回位置檢測(cè).刀庫(kù)氣動(dòng)系統(tǒng)的原理如圖5所示.3自動(dòng)換刀功能調(diào)試作者設(shè)計(jì)的刀庫(kù)控制系統(tǒng)的主要功能包括:自動(dòng)換刀功能、精確定位和精度補(bǔ)償功能、換刀時(shí)間自適應(yīng)功能、回零功能、刀庫(kù)刀具在位檢測(cè)功能、故障報(bào)警功能等.對(duì)這些功能分別進(jìn)行調(diào)試,得到相關(guān)功能的調(diào)試曲線.圖6為換刀過(guò)程經(jīng)過(guò)4個(gè)刀位的換刀速度曲線.圖7為換刀過(guò)程經(jīng)過(guò)8個(gè)刀位的速度曲線圖.圖8為手動(dòng)控制刀庫(kù)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)刀位的位移曲線圖(連續(xù)控制).圖9為刀庫(kù)系統(tǒng)的回零調(diào)試位移圖.自動(dòng)換刀功能調(diào)試過(guò)程中,通過(guò)改變輸入接口I0～I(xiàn)3的通/斷狀態(tài)可改變目標(biāo)刀號(hào),系統(tǒng)接收不同的目標(biāo)刀號(hào)就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)到不同的刀具位置.而手動(dòng)換刀功能和刀庫(kù)回零功能的實(shí)現(xiàn)都是通過(guò)改變機(jī)床NC到刀庫(kù)控制器的編碼發(fā)送控制指令的.4基于控制功能的機(jī)床可重配置作者所設(shè)計(jì)的可重配置刀庫(kù)系統(tǒng)對(duì)于精密微小型數(shù)控加工中心而言是一個(gè)創(chuàng)新.該系統(tǒng)具有常規(guī)刀庫(kù)的基本功能,如刀庫(kù)手動(dòng)自動(dòng)換刀、自動(dòng)選刀、隨機(jī)刀號(hào)調(diào)整、刀庫(kù)正反轉(zhuǎn)控制、參考點(diǎn)返回等.采用伺服電機(jī)對(duì)刀庫(kù)的旋轉(zhuǎn)找刀進(jìn)行控制,具有控制精確的優(yōu)點(diǎn).