数控车床中数控伺服刀架伺服系统关键技术分析

姚海明，陈志祥

YAO Hai-ming, CHEN Zhi-xiang

(南通科技投资集团股份有限公司，南通 226011)

0 引言

数控机床正向高速、高精度方面发展，高速高精切削加工已成为金属切削加工技术的发展趋势[1]。作为数控车床的核心部件—刀架，可保证工件通过一次装夹自动完成车削外圆、内孔、端面、圆弧、螺纹、沟槽等加工工序，适用于机床、家电、汽车、齿轮、冶金等行业。

目前经济型数控车床中多数使用液压刀架，调试和维护相对简单。而在高档数控机床中使用高性能伺服刀架，极大提高了数控车床高速性能和复杂零件的加工能力，但调试和控制相对复杂，本文着重对伺服刀架伺服系统的电气设计和调试关键技术进行分析，并对调试中出现的问题进行全面的归纳和总结。

1 应用于数控车床中的刀架形式

根据刀架动力源不同，可分为液压刀架（Hydraulic turret）、伺服刀架(Servo turret)，即液压刀架由液压马达驱动，可双向旋转，就近选刀，结构简单，抗偏载能力强。伺服刀架用伺服电机驱动，定位精度高，动作准确可靠，可双向旋转，速度快，平稳。结构更为复杂；刀架可称之为复合型刀架，此刀架主要是增加了刀具动力功能，在各工位均可装动力刀具，且仅在工作位置旋转，形式多且使用方便。可把动力刀具配置为车床的第二主轴，再结合C轴功能，能完成复杂型面的加工。

本文将以本公司最新研发的斜床身式轮毂车LG24，数控系统采用FANUC 0i-TD系统[2]，配置高档数控伺服刀架SM-H-32 series 00（意大利DUPLOMATIC公司制造）为例进行详细的说明。刀架控制单元为DD4-10-400/20,动力电源400V+15%-10%，直流控制电源24V。刀架为12工位，换刀时间（刀-刀）0.58s,定位精度4＂，重复定位精度1.6＂。伺服刀架伺服系统结构如图1所示：1电机、2热保护开关、3计数编码、4刀架回零开关、5刀架锁紧开关、7控制单元、8 刀架锁紧放松电磁阀。

图1 DUPLOMATIC伺服刀架伺服系统构成原理图

2 伺服刀架应用中关键技术分析

2.1 伺服刀架伺服系统构成及电气设计

伺服刀架伺服系统由刀架本体、伺服电机、刀架控制单元、液压系统、CNC等组成，刀架控制单元通过接口CN7与刀架本体相连接，获取刀架本体上锁紧信号、回零信号、电机热保护监测信号和增量脉冲信号。刀架伺服系统电气设计中，将刀架控制单元发出的刀架锁紧（EVLOCK）和放松信号（EVULOCK）连接到两个中继线圈上，以实现中间继电器控制液压系统中刀架锁紧和放松电磁阀动作。CNC通过系统I/O模块与刀架控制单元输入接口CN2、输出接口CN1相连接。CNC内置的PMC(顺序控制器)对刀架控制单元的输入输出信号进行运算和处理[3]。

2.2 伺服刀架控制原理及工作流程

控制单元提供多种运行功能，各种功能由模式1、2、3（MODE1、MODE2、MODE3）进行编码识别，如刀架自动正反转、自动最短路径、手动正反转选刀、急停、复位、安全模式等7个功能。在伺服刀架运行前首先设定功能模式，接着由CNC向控制单元的I/O接口CN2中PBIT01、PBIT02、PBIT04、PBIT08、PBIT16共5位刀具号，及奇偶校验位 PARITY进行赋值，刀架回零时需全部赋数值0，对用户输入的T指令，由CNC进行译码处理后，给PBIT01-PBIT16、 PARITY分别赋刀具值和奇偶校验码。最后启动控制单元的PSTART信号并维持30ms以上，即可实现伺服刀架的回零、自动换刀、手动正反转选刀等操作。值得注意的一点，伺服刀架在数控机床每次通电后，必须进行刀架的回零操作，否则刀架将无法运行。刀架锁紧信号（LOCKED）常态为1，在换刀开始和结束时将发生跳变。当出现刀具索引信号（INDEXD）为1时，同时锁紧信号发生0到1的跳变，即可判断换刀过程已结束，自动换刀时PMC编程流程图如图2所示。

图2 PMC编程流程图

2.3 伺服刀架调试中关键问题分析

首先确保电气连接的准确与安全，其次保证在机床实际工况下，电气连接的可靠与稳定。刀架伺服系统中液压系统主要控制刀架的锁紧和放松，锁紧压力稳定在4兆帕左右，液压系统的好坏直接决定刀架的可靠运行，刀架锁紧信号（LOCKED）状态的实时监测，可避免刀架的误动作和撞刀，在PMC控制程序中，要将锁紧信号作为关键控制条件来处理，一旦在工件加工过程中锁紧信号发生变化，CNC需立即产生急停报警，同时切断机床伺服轴、主轴及伺服刀架的动力电源。刀架控制单元上有信号监测窗口，调试中可实时了解刀架本体的各种信号状态及刀架报警代码。在出现任何报警代码时，刀架将无法运行，调试中必须将MODE1-MODE3赋数值零即可将报警复位，同时根据报警代码排查故障原因，待报警原因处理完毕，才可进行刀架的运行功能调试。

3 结束语

随着高档数控车床伺服刀架的广泛使用，对调试人员的PMC编程及电气设计提出更高的要求，但只要掌握伺服刀架伺服系统的一般构成原理和关键信号的处理，可提高伺服刀架使用的可靠性和稳定性，对提升整个数控车床的性能和加工能力起到至关重要的作用。

[1]中国机床工具工业协会数控系统分会.第十一届中国国际机床展览会(CIMT2009)国产数控系统展品综述[J].制造技术与机床,2009(8):34-39.

[2]王悦.数控机床Fanuc系统调试与操作技术[M].北京:电子工业出版社,2008.

[3]Fanuc 0i-TD系统操作说明书[Z].北京发那科,2008.