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 kgn12；液压系统所需压力：303 bar；允许最大换刀频率：800次／h：最大允许切线方向扭矩：1100 Nm：最大允许轴向推压方向扭矩：1200 Nm；最大允许轴向拖拉方向扭矩：700 Nm；不平衡扭矩：10 Nm。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。
3 软件系统设计
可编程机床控制器(Programmable MachineController,PMC)是由FANUC数控系统主机中PMC控制模块和外置的I／O模块单元组成。专门用于对机床的控制。在刀塔的控制中，PMC根据CNC、伺服系统以及机床控制的需要。有机地协调它们之间的关系，以达到良好的逻辑控制效果。本次设计中用的接口信号有3类：机床侧-PMC信号；CNC++PMC信号；伺服驱动器-PMC信号。
3.1 运行信号波形
运行信号时序图说明了刀塔在自动换刀方式下换刀过程中各信号动作的情况。系统新的换刀请求与启动指令之间应该有50 ms的延时。启动指令保持100 ms以上有效。运动到目标位置后，伺服驱动模块将刀架到位信号和锁紧信号反馈给PMC，经PMC确认后，向CNC发出换刀完成信号。
3.2 PMC控制原理及其软件流程图
当CNC发出换刀T指令(TF：F0007．3=1)后，PMC将接收到的T代码指令数据与刀塔当前刀位数据进行比较判别，若一致时．刀塔锁紧检测(PX.Lock：XO001.1=1)，关断伺服驱动器(SVF：YOOOO.2=0)，完成换刀动作(T.FIN：G0005.3=1)；若不一致时，根据目标刀号位置与当前刀号位置，计算出最优路径并接通伺服驱动器发出刀塔松开指令(EV．Unlock：Y000.0=1)，待松开检测接近开关发出松开完成信号(PX.UMock：X0001.0=1)后，令伺服电机转向指令目标位置运动，目标位置到达后，伺服系统将到位信号(ST.INDEX：X0001.3=1)送给PMC，PMC经比较确认后命令刀塔锁紧(EV.Lock=1)。待锁紧检测接近开关发出锁紧完成信号(PX.Lock：X0001.1=1)后，关闭伺服驱动器并发出T代码结束信号(T.FIN：G0005.3=1)送给CNC，CNC在收到T．FIN后，经过系统参数设定的延时，将TF选通信号恢复“0”状态，完成换刀动作，CNC继续执行下一段程序。
4 结束语
本文介绍了伺服刀塔的硬件和软件系统的设计方法．该刀塔采用伺服电机作为驱动元件，利用驱动器进行位置精确控制，不仅简化了刀塔的机械结构，而且提高了转位速度和精度，使其可靠性增强．有效地满足了数控机床对功能部件的要求，广泛应用在中、高档数控车床上，具有较高的工程应用价值。
(审核编辑: 智汇张瑜)
