基于PMC的伺服刀塔系统设计与实现

　　刀塔是数控车床的重要功能部件，其结构性能直接影响机床整体运行的可靠性、稳定性和工作效率。转位精度是衡量数控刀塔的一个重要指标，在电动和液压刀塔中定位是靠检测接近开关来完成的，这种定位方式存在精度低、易损坏等缺点，已不能适应数控机床对核心功能部件的要求。伺服刀塔与传统的液压、电动刀塔相比，具有转位速度快、转位精度高、结构简单、维修方便等优点，符合当今机床朝着高速、高精度方向发展的趋势，已广泛应用于国内外中、高档数控车床中。

1 伺服电机的工作原理及其特性

　　伺服电机又称执行电动机，分为直流和交流伺服两类。其内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U／VIW三相电形成电磁场．转子在此磁场的作用下转动。同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，以此调整转子转动的角度。伺服电机的特性是在无控制信号时不转动，有效地克服了电机的“自转”现象，具有良好的控制性。

2 硬件系统设计

　　本次设计以Fanuc Oi数控系统的PMC为控制核心，以意大利巴拉法蒂公司生产的TBl20伺服刀架为被控对象，采用DMS08一BF作为伺服驱动装置。

　　2.1 刀架选型

　　TBl20伺服刀架是意大利巴拉法蒂公司生产的TB刀架系列中的一款，该系列刀架具有高刚性、高可靠性、能承受大的切削力、接口简单、适用于各种数控系统的特点。TBl20伺服刀架的具体参数为：刀位号：8～12；惯量：1.2 kg·n12；液压系统所需压力：30±3 bar；允许最大换刀频率：800次／h：最大允许切线方向扭矩：1100 N·m：最大允许轴向推压方向扭矩：1200 N·m；最大允许轴向拖拉方向扭矩：700 N·m；不平衡扭矩：10 N·m。TBl20伺服刀架的部分结构如图1所示。刀架换刀动作原理：刀架处于定位(即离合器闭锁)状况时，滚子处于凸轮顶点处。开闭环与转齿盘及固定齿盘互相啮合实现刀架定位。

　　当执行换刀指令时，控制系统给电磁阀发出松开指令，液压系统先移动活塞，牵动滚子座转动并带动滚子由凸轮高点向低点方向移动，此时开闭环会受到弹簧的推压而往后移动让转齿盘松开。刀架松开，接近开关发出松开完成信号给控制系统，并由控制系统给伺服电机发出启动指令，伺服电机开始转动。齿轮带动转齿盘转动至预定位置，并将到位信号反馈给控制系统，然后由控制系统发出电磁锁紧指令，液压系统反向移动活塞再次将滚子推向凸轮的高点。开闭环会受到滚子推压而往前移动与转齿盘及固定齿盘相互啮合，刀架锁紧．接近开关给系统发出锁紧完成信号，刀架完成换刀动作。

　　2.2 伺服驱动器选型

　　DMS08-BF伺服驱动模块具有功能指令丰富、效率高、安装方便等优点，能给用户提供多种操作模式，刀位号和报警信息能在驱动面板上显示。该驱动模块内置电机专用数字处理器，以软件方式实现电流环、速度环、位置环的闭环伺服控制，具备良好的鲁棒性和自适应能力。适用于对转速、位置控制要求较高的场合。具体的电器参数：标称电流8 A；有效峰值电流16 A；输出频率0～400 Hz；输入电压220(+10％／-15％)V；电源频率45～60 Hz；刹车电阻(内阻)47筋0Hz；电磁过滤器设置在内部。

　　刀位是PMC进行逻辑运算的重要信息，传统刀架的刀位是靠检测开关确定，DMS08一BF伺服驱动模块的刀号位置反馈在母接头DB26-Jl(LO.1一LO.2一LO．3-L0.4)上，并以二进制的形式反馈当前的刀号位置，如1号刀位反馈到控制系统中的BCD码为：0001，具体的刀位反馈信息见表1。其中，“o”表示输出高电平(+24V)，“-”表示没有输出(0 V)。

　　2.3 伺服刀塔的原理

　　伺服刀塔从总体上可以分为3大部分，它们分别为：计算机数控系统、伺服驱动装置和刀架，其中，CNC负责发送换刀指令，PMC接收换刀指令后进行逻辑运算与判断；伺服驱动器执行PMC发出的指令并反馈信息给PMC：刀架负责安放加工所需的刀具和具体执行换刀动作。伺服刀塔的原理如图2所示。