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西門子 840DSL 系統(tǒng)機(jī)床可多點(diǎn)換刀的控制實(shí)現(xiàn)

2020-11-19 來源：漢川數(shù)控機(jī)床股份公司作者：任德勇王恒

【摘要】: 通過對西門子 840DSL 系統(tǒng)的刀具管理、分度軸及 PLC 控制軸等功能的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了在動梁式龍門機(jī)床刀庫上的多個(gè)點(diǎn)位置換刀控制。

數(shù)控動梁式龍門加工中心為機(jī)電一體化、技術(shù)密集型的一種產(chǎn)品。作為大型龍門式數(shù)控機(jī)床，適用于箱體類或大中型零件等復(fù)雜零件的加工，可廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)，特別是軍工、航空航天、汽車制造業(yè)和模具行業(yè)等。該機(jī)床由于刀庫換刀機(jī)械手是安裝在橫梁上的，而橫梁又是可以根據(jù)實(shí)際的加工上下移動的，隨著橫梁的上下移動，橫梁停在任意位置時(shí)，刀庫都要求能夠完成自動換刀，這樣就使得機(jī)床的找刀和換刀控制變得比較復(fù)雜。同時(shí)，由于該機(jī)床功能較多，操作也就比較復(fù)雜，對刀庫的控制需要考慮機(jī)床操作的簡便性。如此，針對此類刀庫探索出了多點(diǎn)位置換刀的一種控制實(shí)現(xiàn)方法。

1、刀庫結(jié)構(gòu)及工作原理

刀庫結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。刀庫電機(jī)采用西門子伺服電機(jī)（電機(jī)編碼器為絕對編碼器），刀具容量為 N=50，刀庫相鄰刀套的間距 S1=100mm，機(jī)械手為換刀機(jī)構(gòu)，隨橫梁上下移動。

通過刀庫伺服電機(jī)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)刀具的選擇，由刀庫機(jī)械手的左右和旋轉(zhuǎn)移動將新刀具裝入主軸，舊刀具還回刀庫，以此來完成機(jī)床的自動換刀。根據(jù)刀庫結(jié)構(gòu)及其換刀動作特點(diǎn)，該刀庫采用固定換刀。卸刀油缸用于刀庫的手動裝卸刀。

圖 1 刀庫結(jié)構(gòu)

2、機(jī)床刀庫多點(diǎn)換刀控制流程及原理

由于動梁龍門機(jī)床的橫梁是可以上下移動的，橫梁停在任意位置時(shí)，刀庫換刀如果仍然像普通刀庫一樣，在固定位置換刀，那么每次換刀就需要將橫梁移動到固定的換刀位置，延長了機(jī)床的換刀時(shí)間，降低了機(jī)床的生產(chǎn)效率。故而可考慮在如圖 1 刀庫結(jié)構(gòu)圖所示的機(jī)床橫梁移動行程 S2 內(nèi)設(shè)置多個(gè)換刀點(diǎn)位置，換刀時(shí)，只需隨橫梁的位置就近確定換刀位置即可。刀庫多點(diǎn)換刀控制的流程如圖 2 所示。

圖 2 多點(diǎn)換刀控制流程

實(shí)現(xiàn)刀庫的多點(diǎn)換刀控制，關(guān)鍵在于橫梁的多個(gè)換刀位置與刀庫多個(gè)刀套的對應(yīng)。伺服刀庫通常設(shè)置為旋轉(zhuǎn)分度軸，刀庫旋轉(zhuǎn)時(shí)，每次都會停止在一個(gè)完整的刀套位置上，能有效保證刀庫操作的執(zhí)行，譬如卸刀油缸在卸刀時(shí)可頂出刀具等。利用刀庫分度軸停止的這一特點(diǎn)，可將圖 1 刀庫結(jié)構(gòu)圖中刀庫右側(cè)刀套在橫梁行程上對應(yīng)的多個(gè)位置作為橫梁的換刀位置。換刀時(shí)，橫梁的當(dāng)前位置距哪個(gè)分度位置近，就以哪個(gè)分度位置作為當(dāng)前換刀位置。如此，橫梁只需移動很小的距離就能完成機(jī)床的換刀動作。

3、機(jī)床換刀多點(diǎn)控制的實(shí)現(xiàn)

（1）機(jī)床多點(diǎn)換刀的橫梁軸控制

橫梁軸按機(jī)床的不同使用需求，可設(shè)置為分度定位軸，也可以設(shè)置為插補(bǔ)軸。對于設(shè)置為插補(bǔ)軸的機(jī)床，根據(jù)換刀的需要，可在換刀的時(shí)候，將該軸由 PLC 切換為直線分度軸，換刀完成后，再由PLC 切換為直線插補(bǔ)軸。根據(jù)刀庫的多點(diǎn)換刀原理，橫梁換刀的分度間隔應(yīng)為相鄰刀套的間距，如圖1 中的等間距 S1。換刀過程中，橫梁分度軸的定位運(yùn)動由 PLC 控制，并將其定位到就近的換刀位置。

橫梁直線分度軸參數(shù)設(shè)置如下 :( 橫梁軸為第 5 軸 )

PLC 切換橫梁分度軸或插補(bǔ)軸是通過 PLC 系統(tǒng)功能 FB3 “PUT” 修改軸類型參數(shù)變量 MD30500來完成的。FB3 的調(diào)用如下 :

換刀過程中，橫梁軸請求為 PLC 軸，借助系統(tǒng) FC 18:SpinCtrl（主軸控制功能）通過 PLC 控制軸的轉(zhuǎn)動速度和位置。FC18 的調(diào)用如下 :

（2）刀庫當(dāng)前刀套確定

當(dāng)前刀套采用西門子 840DSL 系統(tǒng)刀具管理的異步應(yīng)答方式來確定。機(jī)床加工過程中，橫梁在運(yùn)行到一個(gè)換刀分度位置時(shí)，刀具管理就可異步應(yīng)答一次刀庫的當(dāng)前刀套，這樣既保證了刀庫備刀的需要，也為橫梁提供了就近換刀的當(dāng)前位置。當(dāng)前刀套異步應(yīng)答的 FC6 調(diào)用如下：

（3）橫梁與刀庫的基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)定

機(jī)床換刀多點(diǎn)控制的實(shí)現(xiàn)，需要刀套號與橫梁換刀位置間建立相應(yīng)的對應(yīng)關(guān)系，為此需標(biāo)定橫梁和刀庫的基準(zhǔn)點(diǎn)。將刀庫的 1 號刀套移動到刀庫上與橫梁軸平行的最高點(diǎn)位置，設(shè)定為刀庫的零點(diǎn)。

然后移動橫梁軸，使刀庫機(jī)械手卡爪中心與 1 號刀套中心在同一水平位置，設(shè)定為橫梁軸的零點(diǎn)，并作為橫梁的第一個(gè)可換刀分度點(diǎn)。

4、刀庫旋轉(zhuǎn)備刀控制

由于刀庫電機(jī)采用的是西門子伺服電機(jī)，故而刀庫需設(shè)置為一個(gè) NC 控制軸，該軸的配置方法、回零操作等與其它 NC 軸相同。鑒于刀庫旋轉(zhuǎn)停止后，必須要停在一個(gè)完整的刀套處，應(yīng)用西門子系統(tǒng)的模態(tài)旋轉(zhuǎn)軸和等分分度軸功能可很好地實(shí)現(xiàn)這一要求。

刀庫手動旋轉(zhuǎn)控制刀庫軸作為機(jī)床的一個(gè) NC 軸，正確設(shè)置軸的 NC 參數(shù)，保證其能正常運(yùn)行，而后設(shè)置模態(tài)旋轉(zhuǎn)軸和等分分度的參數(shù)如下

設(shè)置完成后，在手動方式下，按下刀庫（軸）移動鍵，刀庫將按選擇的方向轉(zhuǎn)動，直到松開移動鍵而停在下一個(gè)完整的刀套處。

5、多點(diǎn)換刀的其它說明

（1）刀庫配置包含一個(gè)真實(shí)刀庫 50 個(gè)刀位，一個(gè)緩沖刀庫 3 個(gè)刀位和一個(gè)裝載站刀庫 2 個(gè)裝載站刀位。

（2）刀庫機(jī)械手換刀和普通刀庫一樣，包括抓新刀、還舊刀、交換刀三種類型。

（3）換刀過程中，F(xiàn)C6 數(shù)據(jù)交換可以采用異步應(yīng)答，也可以采用同步應(yīng)答。

6、結(jié)束語

基于西門子 840DSL 系統(tǒng)的刀具管理、分度軸和 PLC 控制軸等功能，本文詳細(xì)介紹了動梁式龍門機(jī)床上所配的可以多個(gè)點(diǎn)換刀刀庫的一種控制實(shí)現(xiàn)方法。通過在我公司動梁式龍門加工中心上實(shí)際使用，能夠很好地達(dá)到控制要求，方便用戶對機(jī)床的操作，值得推廣應(yīng)用。

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