刀塔是數(shù)控車床的重要功能部件，其結構性能直接影響機床整體運行的可靠性、穩(wěn)定性和工作效率。轉位精度是衡量數(shù)控刀塔的一個重要指標，在電動和液壓刀塔中定位是靠檢測接近開關來完成的，這種定位方式存在精度低、易損壞等缺點，已不能適應數(shù)控機床對核心功能部件的要求。伺服刀塔與傳統(tǒng)的液壓、電動刀塔相比，具有轉位速度快、轉位精度高、結構簡單、維修方便等優(yōu)點，符合當今機床朝著高速、高精度方向發(fā)展的趨勢，已廣泛應用于國內外中、高檔數(shù)控車床中。

1 伺服電機的工作原理及其特性

　　伺服電機又稱執(zhí)行電動機，分為直流和交流伺服兩類。其內部的轉子是永磁鐵，驅動器控制的U／VIW三相電形成電磁場．轉子在此磁場的作用下轉動。同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅動器，驅動器根據(jù)反饋值與目標值進行比較，以此調整轉子轉動的角度。伺服電機的特性是在無控制信號時不轉動，有效地克服了電機的自轉現(xiàn)象，具有良好的控制性。

2 硬件系統(tǒng)設計

　　本次設計以Fanuc Oi數(shù)控系統(tǒng)的PMC為控制核心，以意大利巴拉法蒂公司生產(chǎn)的TBl20伺服刀架為被控對象，采用DMS08一BF作為伺服驅動裝置。

　　2.1 刀架選型

　　TBl20伺服刀架是意大利巴拉法蒂公司生產(chǎn)的TB刀架系列中的一款，該系列刀架具有高剛性、高可靠性、能承受大的切削力、接口簡單、適用于各種數(shù)控系統(tǒng)的特點。TBl20伺服刀架的具體參數(shù)為：刀位號：8～12；慣量：1.2 kgn12；液壓系統(tǒng)所需壓力：303 bar；允許最大換刀頻率：800次／h：最大允許切線方向扭矩：1100 Nm：最大允許軸向推壓方向扭矩：1200 Nm；最大允許軸向拖拉方向扭矩：700 Nm；不平衡扭矩：10 Nm。TBl20伺服刀架的部分結構如圖1所示。刀架換刀動作原理：刀架處于定位(即離合器閉鎖)狀況時，滾子處于凸輪頂點處。開閉環(huán)與轉齒盤及固定齒盤互相嚙合實現(xiàn)刀架定位。

　　當執(zhí)行換刀指令時，控制系統(tǒng)給電磁閥發(fā)出松開指令，液壓系統(tǒng)先移動活塞，牽動滾子座轉動并帶動滾子由凸輪高點向低點方向移動，此時開閉環(huán)會受到彈簧的推壓而往后移動讓轉齒盤松開。刀架松開，接近開關發(fā)出松開完成信號給控制系統(tǒng)，并由控制系統(tǒng)給伺服電機發(fā)出啟動指令，伺服電機開始轉動。齒輪帶動轉齒盤轉動至預定位置，并將到位信號反饋給控制系統(tǒng)，然后由控制系統(tǒng)發(fā)出電磁鎖緊指令，液壓系統(tǒng)反向移動活塞再次將滾子推向凸輪的高點。開閉環(huán)會受到滾子推壓而往前移動與轉齒盤及固定齒盤相互嚙合，刀架鎖緊．接近開關給系統(tǒng)發(fā)出鎖緊完成信號，刀架完成換刀動作。

　　2.2 伺服驅動器選型

　　DMS08-BF伺服驅動模塊具有功能指令豐富、效率高、安裝方便等優(yōu)點，能給用戶提供多種操作模式，刀位號和報警信息能在驅動面板上顯示。該驅動模塊內置電機專用數(shù)字處理器，以軟件方式實現(xiàn)電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的閉環(huán)伺服控制，具備良好的魯棒性和自適應能力。適用于對轉速、位置控制要求較高的場合。具體的電器參數(shù)：標稱電流8 A；有效峰值電流16 A；輸出頻率0～400 Hz；輸入電壓220(+10％／-15％)V；電源頻率45～60 Hz；剎車電阻(內阻)47筋0Hz；電磁過濾器設置在內部。

　　刀位是PMC進行邏輯運算的重要信息，傳統(tǒng)刀架的刀位是靠檢測開關確定，DMS08一BF伺服驅動模塊的刀號位置反饋在母接頭DB26-Jl(LO.1一LO.2一LO．3-L0.4)上，并以二進制的形式反饋當前的刀號位置，如1號刀位反饋到控制系統(tǒng)中的BCD碼為：0001，具體的刀位反饋信息見表1。其中，“o”表示輸出高電平(+24V)，“-”表示沒有輸出(0 V)。

　　2.3 伺服刀塔的原理

　　伺服刀塔從總體上可以分為3大部分，它們分別為：計算機數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅動裝置和刀架，其中，CNC負責發(fā)送換刀指令，PMC接收換刀指令后進行邏輯運算與判斷；伺服驅動器執(zhí)行PMC發(fā)出的指令并反饋信息給PMC：刀架負責安放加工所需的刀具和具體執(zhí)行換刀動作。

3 軟件系統(tǒng)設計

　　可編程機床控制器(Programmable MachineController,PMC)是由FANUC數(shù)控系統(tǒng)主機中PMC控制模塊和外置的I／O模塊單元組成。專門用于對機床的控制。在刀塔的控制中，PMC根據(jù)CNC、伺服系統(tǒng)以及機床控制的需要。有機地協(xié)調它們之間的關系，以達到良好的邏輯控制效果。本次設計中用的接口信號有3類：機床側-PMC信號；CNC++PMC信號；伺服驅動器-PMC信號。

　　3.1 運行信號波形

　　運行信號時序圖說明了刀塔在自動換刀方式下?lián)Q刀過程中各信號動作的情況。系統(tǒng)新的換刀請求與啟動指令之間應該有50 ms的延時。啟動指令保持100 ms以上有效。運動到目標位置后，伺服驅動模塊將刀架到位信號和鎖緊信號反饋給PMC，經(jīng)PMC確認后，向CNC發(fā)出換刀完成信號。

　　3.2 PMC控制原理及其軟件流程圖

　　當CNC發(fā)出換刀T指令(TF：F0007．3=1)后，PMC將接收到的T代碼指令數(shù)據(jù)與刀塔當前刀位數(shù)據(jù)進行比較判別，若一致時．刀塔鎖緊檢測(PX.Lock：XO001.1=1)，關斷伺服驅動器(SVF：YOOOO.2=0)，完成換刀動作(T.FIN：G0005.3=1)；若不一致時，根據(jù)目標刀號位置與當前刀號位置，計算出最優(yōu)路徑并接通伺服驅動器發(fā)出刀塔松開指令(EV．Unlock：Y000.0=1)，待松開檢測接近開關發(fā)出松開完成信號(PX.UMock：X0001.0=1)后，令伺服電機轉向指令目標位置運動，目標位置到達后，伺服系統(tǒng)將到位信號(ST.INDEX：X0001.3=1)送給PMC，PMC經(jīng)比較確認后命令刀塔鎖緊(EV.Lock=1)。待鎖緊檢測接近開關發(fā)出鎖緊完成信號(PX.Lock：X0001.1=1)后，關閉伺服驅動器并發(fā)出T代碼結束信號(T.FIN：G0005.3=1)送給CNC，CNC在收到T．FIN后，經(jīng)過系統(tǒng)參數(shù)設定的延時，將TF選通信號恢復“0”狀態(tài)，完成換刀動作，CNC繼續(xù)執(zhí)行下一段程序。

4 結束語

　　本文介紹了伺服刀塔的硬件和軟件系統(tǒng)的設計方法．該刀塔采用伺服電機作為驅動元件，利用驅動器進行位置精確控制，不僅簡化了刀塔的機械結構，而且提高了轉位速度和精度，使其可靠性增強．有效地滿足了數(shù)控機床對功能部件的要求，廣泛應用在中、高檔數(shù)控車床上，具有較高的工程應用價值。