加工中心主軸松拉刀功能的優(yōu)化控制
2024-7-29 來源： 蘇州市職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 作者：董曉嵐
摘要：松拉刀控制作為數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)的核心功能對加工中心運行的穩(wěn)定性和可靠性都有重要意義。針對加工中心運行中可能出現(xiàn)的機(jī)床運行前未緊刀、主軸運行中松刀、刀庫換刀前刀具異常以及手動松刀誤動作等松拉刀故障在 PLC 控制系統(tǒng)中設(shè)計相應(yīng)的優(yōu)化，實現(xiàn)在機(jī)床電氣控制端對機(jī)床機(jī)械故障進(jìn)行防控的優(yōu)化功能。重點優(yōu)化圓盤式刀庫換刀機(jī)械手在換刀過程中由于換刀機(jī)械手動作未到位引起的松拉刀故障。優(yōu)化功能在 KND 2000 Ci數(shù)控系統(tǒng)加工中心上進(jìn)行了可行性驗證，控制效果佳。
關(guān)鍵詞 ：松拉刀 主軸系統(tǒng) PMC 設(shè)計
1、引言
加工中心主軸系統(tǒng)的松拉刀控制功能用于實現(xiàn)主軸上刀具在自動換刀及手動工作方式下松刀與緊刀的操作。自動松拉刀系統(tǒng)是主軸系統(tǒng)的核心組件，加工中心正常工作時，主軸通過內(nèi)部的拉刀爪拉緊刀具，刀具緊緊地卡在主軸上；加工中心在手動換刀或者自動換刀時，氣動系統(tǒng)提供松刀力壓縮主軸內(nèi)部的拉刀爪，主軸刀具被松開[1-2]。試驗機(jī)床選用臺灣 HSK BT40 拉刀爪（見圖 1），最大可提供 18kN拉刀力，65Nm 鎖緊扭矩，打刀行程 6mm。選用亞德客 NPM 3.5T 打刀氣缸（見圖 2），出力 3.5 T，打刀行程 13mm 以內(nèi)，頂?shù)读吭?0.4~0.7mm 之間。
圖 1 主軸松拉刀結(jié)構(gòu)
圖 2 打刀氣缸工作原理
2、松拉刀控制功能
主軸松拉刀功能的基本控制目標(biāo)是拉緊刀具時，要求刀具必須在主軸上卡緊，不得松動；松開主軸刀具時，松刀動作要快速穩(wěn)定且可靠性高。加工中心主軸自動松拉刀控制常規(guī)的功能如下：
（1）自動運行（AUTO）和 MDI 方式：主軸停止?fàn)顟B(tài)下，實現(xiàn)任何位置的松刀和拉刀操作。
（2）手動方式（JOG）：由一個按鈕實現(xiàn)主軸松拉刀控制：按下按鈕時，松刀輸出；松開按鈕時，緊刀輸出。由非手動方式轉(zhuǎn)為手動方式時，總是輸出拉刀信號。由手動方式轉(zhuǎn)為非手動方式時，保持手動方式下松拉刀狀態(tài)[3-4]。
3、加工中心松拉刀功能優(yōu)化控制
由上所分析，松拉刀功能與主軸運行、換刀動作密切相關(guān)，除常用的預(yù)警外，為防止加工中心主軸在運行過程中出現(xiàn)刀具掉落，圓盤式刀庫中換刀機(jī)械手在換刀過程中出現(xiàn)撞刀或者由于松刀未到位導(dǎo)致?lián)Q刀失敗等故障，特別是加工中心運行中松刀動作的誤操作很容易造成的嚴(yán)重故障[5-6]，本文探討了加工中心的松拉刀額外的優(yōu)化控制功能。
（1）防止手動松刀按鈕誤動作優(yōu)化：設(shè)定松拉刀手動按鈕在 1 秒之內(nèi)人為或者系統(tǒng)線路異常跳動3 次，即視為異常，系統(tǒng)報警。
PLC 控制梯形圖如圖 3 所示：X0.0 是松拉刀手動按鈕的輸入信號，DIFD2 指令捕捉 X0.0 的下降沿信號并置中間變量 R200.1=1，R200.1 信號觸發(fā)定時器 TMRB T2 工作；X0.0 同時觸發(fā) CTR 計數(shù)器ACT 輸入信號，計數(shù)器啟動，CTR 計數(shù)參數(shù)=3；在 T2 定時器 1s 時間之內(nèi)，計數(shù)器 CTR 指令記錄手動松刀按鈕信號的跳動值，當(dāng)手動松刀按鈕指令跳動次數(shù)超過 3 次時，中間變量 R200.3=1，R200.3觸發(fā)系統(tǒng)報警；當(dāng)在 T2 定時器到達(dá) 1s 后，中間變量 R200.2=1 觸發(fā) CTR 指令的復(fù)位端口 RST 信號，計數(shù)器 CRT 重新計數(shù)。
圖 3 手動松刀按鈕誤動作優(yōu)化
（2）主軸運動過程中，防止松刀信號誤輸出優(yōu)化：如果主軸處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，系統(tǒng)收到松刀指令，或者手動松刀按鈕被誤操作，系統(tǒng)報警，主軸進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)[7-9]。
PLC 控制梯形圖如圖 4 所示：F2001.0、F2001.1、F2001.4 分別是主軸正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、點動狀態(tài)的系統(tǒng)反饋信號，三個信號負(fù)邏輯信號觸發(fā)中間變量R100.0 再次取反，負(fù)負(fù)得正，則 R100.0 表示主軸處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)；F30.0、F30.1、F30.2 分別是 X/Y/Z軸移動的系統(tǒng)反饋信號，定義 R7.2 為機(jī)床處于手動、手輪或者回零工作方式狀態(tài)， M50 為系統(tǒng)松刀指令，M51 為拉刀指令。控制邏輯為：如果系統(tǒng)主軸在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，或者 X/Y/Z 軸處于移動狀態(tài)下， X0.0手動松刀按鈕或者 M50 松刀指令試圖觸發(fā)主軸松刀時，系統(tǒng)報警被觸發(fā)，主軸進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。
圖 4 主軸運動過程中，防止松刀信號誤輸出優(yōu)化
（3）機(jī)床準(zhǔn)備啟動運行前，刀具處于未緊刀狀態(tài)優(yōu)化：機(jī)床啟動運行前，如果主軸刀具處于松刀或者緊刀動作未到位狀態(tài)，系統(tǒng)發(fā)出主軸旋轉(zhuǎn)指令M03/M04 或者手動方式下主軸正反轉(zhuǎn)及點動；或者系統(tǒng)發(fā)出 X/Y/Z 軸移動指令，系統(tǒng)報警，機(jī)床復(fù)位[10-12]。
PLC 控制梯形圖如圖 5 所示：G15.1 是刀具松刀到位輸入信號，G15.2 是刀具緊刀到位輸入信號。在系統(tǒng)試圖運行主軸或者移動 X/Y/Z 軸前，檢測系統(tǒng)是否收到松刀到位或者緊刀未到位信號，如果是，則系統(tǒng)報警觸發(fā)。
圖 5 機(jī)床準(zhǔn)備啟動運行前，刀具處于未緊刀狀態(tài)優(yōu)化
（4）換刀動作前，刀具處于異常狀態(tài)優(yōu)化：加工中心換刀前，如果主軸刀具處于松刀或者緊刀動作未到位狀態(tài)，系統(tǒng)發(fā)出換刀指令，M06 或者手動方式下?lián)Q刀，系統(tǒng)報警，換刀指令不執(zhí)行。PLC 控制梯形圖如圖 6 所示：中間變量 R50.6是 M06 換刀指令的譯碼變量，DIFU2 指令取 M06指令的上升沿信號觸發(fā)中間變量 R300.0。在系統(tǒng)執(zhí)行 M06 指令前，檢測系統(tǒng)是否收到松刀到位 G15.1或者緊刀未到位 G15.2 信號, 如果是，系統(tǒng)報警觸發(fā)，機(jī)床復(fù)位。
圖 6 換刀動作前，刀具處于異常狀態(tài)優(yōu)化
（5）換刀機(jī)械手停止位置異常優(yōu)化：圓盤式刀庫松拉刀優(yōu)化控制，防止換刀機(jī)械手動作停在刀臂原點和扣刀位置的中間，出現(xiàn)撞刀故障。
圓盤式刀庫換刀過程中，換刀機(jī)械手在自動工作方式下動作如下（見圖 7）：換刀動作開始前，換刀機(jī)械手處于原點位置；系統(tǒng)發(fā)出 M06 換刀指令，換刀機(jī)械手第一次動作開始；當(dāng)系統(tǒng)收到機(jī)械手第1 次扣刀到位信號，機(jī)械手停止輸出，并自動進(jìn)行松刀輸出（見圖 8）；系統(tǒng)檢測到松刀輸出到位信號后，換刀機(jī)械手第二次動作開始；當(dāng)系統(tǒng)收到機(jī)械手第 2 次扣刀到位信號，機(jī)械手停止輸出，并自動進(jìn)行緊刀輸出；系統(tǒng)檢測到緊刀輸出到位信號后，換刀機(jī)械手第三次動作開始；系統(tǒng)檢測到機(jī)械手原點信號后，機(jī)械手停止輸出[13-14]。
圖 7 換刀機(jī)械手動作流程
圖 8 換刀機(jī)械手扣刀到位松刀輸出
松拉刀動作必須和換刀機(jī)械手動作協(xié)同，讓松拉刀動作發(fā)生在換刀機(jī)械手第二次動作的前后，松刀動作發(fā)生在機(jī)械手第二次動作的開始之前，緊刀動作發(fā)生在機(jī)械手第二次動作停止之后。優(yōu)化控制的目的就是防止換刀機(jī)械手第二次動作停在刀臂原點和扣刀位置的中間，如果此時主軸執(zhí)行松拉刀動作則會出現(xiàn)撞刀故障。如果換刀機(jī)械手第二次動作準(zhǔn)備開始前，機(jī)械手扣刀信號沒有到位，也即第一次換刀機(jī)械手動作停止時，換刀機(jī)械手沒有停在扣刀位置；換刀機(jī)械手第二次動作結(jié)束后，機(jī)械手停止動作，可是機(jī)械手扣刀信號沒有到位，也即第二次換刀機(jī)械手動作停止后，換刀機(jī)械手沒有停在扣刀位置，上述情況下，松拉刀動作不能執(zhí)行[15]。
PLC 控制梯形圖如圖 9 所示：換刀機(jī)械手在整個換刀過程中一共動作三次，定義 R2000.1 為機(jī)械手第一次動作結(jié)束狀態(tài)，R2000.2 為第二次動作開始啟動狀態(tài)，R2000.3 為第二次動作結(jié)束狀態(tài)，R2000.4 為第三次動作結(jié)束狀態(tài)信號，定義 M56 為換刀機(jī)械手動作指令。在優(yōu)化控制程序中，我們重點關(guān)注機(jī)械手第二次動作前后的機(jī)械手扣刀信號R2010.1 的狀態(tài)。如果出現(xiàn)以下四種狀態(tài)，都表示換刀機(jī)械手停在異常位置，是主軸松拉刀動作不能執(zhí)行的條件之一：(1)當(dāng)換刀機(jī)械手第一次動作結(jié)束狀態(tài)復(fù)位 R2000.1=0，機(jī)械手第二次動作開始啟動R2000.2=1，但是機(jī)械手扣刀信號未達(dá)到 R2010.1=0；(2)或者換刀機(jī)械手停止動作信號觸發(fā) R2000.5=1，但是換刀機(jī)械手第三次動作未完成 R2000.4=0，機(jī)械手扣刀信號也未到達(dá)R2010.1=0；3）加工中心MDI 工作方式下，主軸返回第二參考點信號未達(dá)到F50.2=0；4）加工中心 AUTO 運行工作方式下，換刀機(jī)械手臂未回到零點位置 R2010.0=0。
圖 9 防止換刀機(jī)械手停止位置異常優(yōu)化
此外，還可以將上述優(yōu)化功能的 2 和 4 的加載至圓盤式刀庫換刀的優(yōu)化控制功能中，也即主軸旋轉(zhuǎn)或者扣刀信號未達(dá)到時，主軸松拉刀動作不能執(zhí)行。故有，松拉刀動作不能執(zhí)行條件之二：如果主軸處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，F(xiàn)2000.6=1 是主軸靜止?fàn)顟B(tài)反饋信號，并且系統(tǒng) F2001.0 主軸正轉(zhuǎn)、F2001.1 主軸反轉(zhuǎn)、F2001.4 主軸點動的反饋信號都為 0 的狀態(tài)下，認(rèn)為主軸處于絕對靜止?fàn)顟B(tài)，輸出 R3000.1 信號。松拉刀動作不能執(zhí)行條件之三：扣刀信號未達(dá)到R2010.1=0，M06 換刀指令不能執(zhí)行；扣刀信號達(dá)到 R2010.1=1，M06 信號才能執(zhí)行。中間變量R3000.2 是松拉刀動作可以執(zhí)行的條件，當(dāng)換刀機(jī)械手處于正常位置 R3000.0=0，主軸處于非旋轉(zhuǎn)狀態(tài) R3000.1=0，則 M50/M51 松拉刀指令可以執(zhí)行。
4、結(jié)語
以往對于主軸松拉刀控制功能的優(yōu)化大多圍繞于主軸松拉刀機(jī)械結(jié)構(gòu)的改進(jìn)與優(yōu)化，以提高主軸系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，利用電氣 PLC 控制功能預(yù)警主軸松拉刀異常動作的優(yōu)化方面（如圖 10），涉及文獻(xiàn)甚少。本文以松拉刀按鈕誤動作、主軸啟動保護(hù)、機(jī)床運行啟動保護(hù)、換刀準(zhǔn)備動作保護(hù)、以及圓盤式刀庫換刀過程中的換刀機(jī)械手停止位置異常保護(hù)為優(yōu)化目標(biāo)展開，所有優(yōu)化程序在 KNDK2000 Ci 數(shù)控系統(tǒng)加工中心上進(jìn)行了可行性驗證，都得以實現(xiàn)且控制效果佳。
圖 10 KND 數(shù)控機(jī)床試驗報警
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