基于自主式刀库控制系统的研究

基于自主式刀库控制系统的研究

自1995年美国密歇根大学提出可重复分配概念以来，全世界的研究人员都在这方面进行了研究，并在机械系统和控制器的设计方面取得了一些成功。为了满足小微件的完整加工要求，根据客户的需求，应配备各种功能单元（如刀库、高速电源等）。这对于有效完成新部件和现有系统之间的协调非常重要。加工中心自动换刀装置是实现多工序连续加工的重要装置,其结构及其控制系统设计是实现加工中心设计制造的关键.作者的研究借鉴现有自动换刀系统,通过分析客户的具体要求和四轴微小型精密数控车铣加工中心的特点,确定符合实际要求的快速自动换刀系统总体方案,实现了在微小型机床上自动换刀刀库的可重配置.在此基础上,优化换刀的动作步骤,以达到换刀时间短、刀具重复定位精度高和安全可靠的目的.所设计的自动换刀系统在不增加原有数控系统控制轴数的前提下,即可满足加工中心自动换刀的功能要求,这对今后通用机床数控改造中自动换刀功能的扩展具有参考及借鉴价值.1随机换刀控制目前,国内外加工中心上使用的自动换刀方式主要有转塔式自动换刀和刀库式自动换刀两种.加工中心常见的刀库形式主要有盘式刀库、链式刀库以及直线式刀库和组合刀库.盘式刀库中的刀具沿盘面垂直排列(包括径向取刀和轴向取刀),沿盘面径向排列或呈锐角排列形式的刀库结构简单紧凑,应用较多.在微小型车铣机床中,考虑到机床结构和空间等因素,确定使用盘式刀库的方案.目前刀库中常用的选刀方式有顺序选刀和任意选刀两种.顺序选刀方式一般用在固定工艺顺序的加工方式中.任意选刀方式分为刀座编码、刀具编码和跟踪记忆等方式.跟踪记忆方式是目前最常用的,在这种方式中刀具号及其所在刀座号一一对应的记忆在数控系统的PMC中.刀具可存放在任一个刀座中,刀库上的刀具能与主轴上的刀具任意地直接交换,即随机换刀.主轴上新换刀号及送回刀库上的刀具号,均存储在PMC内部相应的存储单元记忆中.随机换刀控制方式需要在PMC内部设置一个模拟刀库的数据表,其长度和表内设置的数据与刀库的位置数和刀具号相对应.传统的刀库控制都是由数控系统及其PMC控制,刀库的控制功能包括随机换刀选择、刀具定位等,都由数控系统直接控制实现.与传统的数控系统自动换刀方式相比,作者提出的是可以实现一些原有方式不具备的换刀功能,如换刀速度调整、刀具精度补偿等.它采用自主式的刀库控制器进行换刀操作,把刀库作为一个独立的功能模块和单元,可以使设计的微小型刀库在不增加原有数控系统控制轴数的前提下,任意移植到需要增加刀库功能的数控系统之中,实现可重配置刀库的功能.本刀库系统的设计中,在盘式刀库上刀具分两列布置,刀具总数为32;在换刀方式的选择上,由于机床空间限制,采用无机械手换刀方式,换刀时通过坐标轴的移动,刀库和主轴直接换刀来实现取刀、松刀和夹紧动作.选刀方式采用任意选刀方式中的刀座编码方式或跟踪记忆方式,两种选刀方式的区别仅仅在于刀库控制器的换刀软件程序不同.刀库由伺服电机驱动,伺服电机带绝对编码器.电机输出端通过同步带轮实现与盘式刀库转动轴的连接.图1所示为作者所设计的可重配置刀库图.刀库系统由接近开关和绝对编码器构成半闭环反馈系统,不同刀位之间的位置控制通过绝对编码器的坐标进行标定.刀库每次上电都可以自检获得当前位置,使刀库定位精确.根据需要可以实现刀库回零操作,以实现原点校正及消除换刀过程中产生的累积误差.刀库控制器选择Omron单轴伺服控制器MCW151E,控制器带有8个数字量输入口,6个数字量输出口及串行通信口.刀库中另外设置多个传感器,用于换刀过程中的位置检测和安全保障,如刀座中有无刀具的检测、原点位置检测等.刀库控制系统的控制和驱动方式如图2所示.2刀库可以重复配置系统的实现2.1控制模块的实现在可重配置数控系统中,实现刀库系统的可重配置有多种方案.一种是基于现有系统轴数,即在数控系统方案确定,无法再增加控制轴的情况下进行刀库系统的可重配置;另一种是在系统设计之初或系统设计虽然完成,但系统本身仍然具有扩展控制轴的能力的情形下进行刀库的可重配置.在第一种扩展方式下进行刀库系统的可重配置,实际上就是在原有系统的基础上增加一个可重配置单元.可重配置的控制系统单元技术包括软件和硬件两个方面.软件方面总体上要实现在数控系统的支持下,对各控制模块单元进行模块化控制;硬件方面通过给所配置的执行模块配置一个独立自主式控制器,用可重配置的自主式控制器实现对可重配置模块的独立控制.用这种方式可以实现可重配置机床各种轴的扩展,如模拟主轴、定位轴等.而可重配置模块的自主式控制器通过通信或其它方式实现与机床主控系统的连接,接受机床主控系统的指令并完成规定的控制,且返回可重配置模块的各种反馈和状态数据.如图3所示.可重配置机床控制系统与可重配置模块单元之间实现信号交互的几种方式为:①标准I/O口;②标准串口;③以太网口;④各种标准工业总线(如CAN,USB,PROFIBUS总线).图4为通过标准I/O口实现机床功能模块扩展的示意图,数控系统通过机床和轴控制器之间的标准I/O口进行信号传递,轴控制器通过这种方式接收机床的控制信息,并将控制状态信号返回给数控系统.可重配置的刀库控制系统控制方式选择如图4所示的第一种扩展方式,其中确定的刀库控制器与NC的接口如表1所示.机床NC外部的输入信号用于反馈外部信息和接收操作面板指令(如面板刀库回零按钮、刀库开门到位检测、刀库关门到位检测、刀库导轨到换刀位检测等).机床NC输出信号用于控制外部的显示和其它执行元件(如开关门控制、导轨移入移出控制、面板指示灯等).刀库控制器根据需要也可以连接外部的输入和输出信号(如急停信号等).2.2软件完成可重配置的刀库控制系统的软件分机床侧和自主式刀库控制器两个部分.2.2.1机床侧到刀库的编码输出要实现刀库的可重配置,在机床侧所要做的工作是译码和解码.与普通带刀库的数控系统一样,在机床PMC中需要首先对换刀指令进行译码,将每一个换刀过程中给定的刀号都对应到机床PMC内部的继电器上,为后续的编程和编码做准备.与普通数控系统不同的是,要实现刀库系统的可重配置,必须以适当的方式,将经过机床PMC译码后的刀号传递给刀库控制器,为此需要对译码后的刀号重新进行编码.根据约定,占用机床PMC的5个输出点作为机床侧到刀库控制器侧的编码输出.5个输出点中,最高位的信号如果是1,则表示后面4位是刀号,此时刀库控制器就开始接收刀号信号,进而在刀库控制器中执行换刀程序,刀号的编码从0000到1111,可以表示1～16号刀.刀库中两列的识别是在机床PMC中实现的,刀库控制器只识别1～16号刀位,在刀库控制器中第1及第17把刀代表相同的位置.如果5个输出点中的最高位信号是0,则编码输出用于传递从机床PMC到刀库控制器的其它控制信号,不同的编码方式对应不同的含义.相应的控制指令包括:系统回零,正转一个刀位,反转一个刀位,刀库移出,故障复位等.机床侧程序的另一个重要功能就是实现换刀过程中的部分顺序动作和连锁保护功能.2.2.2换刀推动补偿可重配置的刀库控制系统的主要功能实现依赖于自主式刀库控制器.刀库控制器具体实现的功能包括:接收机床PMC的编码指令,完成译码功能;针对各种不同的译码指令完成相应的控制功能,如运动到指定刀位、正向或反向运动一个刀位、刀库回零等(主要用于消除系统的累积误差,提高换刀时的刀柄和电主轴的对准精度);完成各个刀位的定位精度补偿功能,主要用于补偿由于制造和装配误差引起的刀位位置偏移;换刀速度的自动调整功能,针对换刀过程中所需转动的刀位数的多少,自动调整电机转速,可以实现换刀过程中转动较少及较多的刀位所需的时间相差不大,从而保证了换刀时间的相对均衡;换刀路径最短功能,可以根据当前刀位和目标刀位判断换刀时的刀盘转向,选择最短的换刀路径,节约换刀时间;报警和复位等其它功能.以上功能的实现都是通过在自主式刀库控制器中进行相应的程序开发实现的.2.3换刀后槽场返刀刀库系统中配套的部件包括刀库导轨、刀库门及刀库中的检测元件.刀库导轨的作用是使刀库在上面滑动,换刀时导轨从床头箱中移出,换刀后导轨退回原位;刀库门的作用是换刀开始时打开,换刀结束刀库退回原位后关闭,目的是防止机床在进行工件加工时金属切屑和冷却液污染刀库;检测元件的作用是在换刀过程中获得各种状态或位置信息,以此控制选刀或回零等动作实现.刀库门和刀库导轨为气动控制.刀库控制中的检测和传感元件主要用于刀库门开关的状态检测以及刀库导轨的移出和返回位置检测.刀库气动系统的原理如图5所示.3自动换刀功能调试作者设计的刀库控制系统的主要功能包括:自动换刀功能、精确定位和精度补偿功能、换刀时间自适应功能、回零功能、刀库刀具在位检测功能、故障报警功能等.对这些功能分别进行调试,得到相关功能的调试曲线.图6为换刀过程经过4个刀位的换刀速度曲线.图7为换刀过程经过8个刀位的速度曲线图.图8为手动控制刀库转动一个刀位的位移曲线图(连续控制).图9为刀库系统的回零调试位移图.自动换刀功能调试过程中,通过改变输入接口I0～I3的通/断状态可改变目标刀号,系统接收不同的目标刀号就会转动到不同的刀具位置.而手动换刀功能和刀库回零功能的实现都是通过改变机床NC到刀库控制器的编码发送控制指令的.4基于控制功能的机床可重配置作者所设计的可重配置刀库系统对于精密微小型数控加工中心而言是一个创新.该系统具有常规刀库的基本功能,如刀库手动自动换刀、自动选刀、随机刀号调整、刀库正反转控制、参考点返回等.采用伺服电机对刀库的旋转找刀进行控制,具有控制精确的优点.