专利名称：一种加工中心刀库的制作方法
技术领域：
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本实用新型涉及一种加工中心用的刀库，尤其是一种借助储刀盘的回转来实现换刀的斗 笠式或伞形刀库。
技术背景
已有斗笠式刀库或伞形刀库的储刀盘回转机构多采用日内瓦机构，或凸轮滚销机构，用 可逆减速电机驱动。采用这两种机构，减速电机每转一周，储刀盘都要经过停止、加速、恒 速、减速、停止的过程，停止周期占电机回转一周的50。/。一60%，停止周期即定位对准周 期，此时储刀盘的任一刀位都被机械地锁定在对准主轴的位置上。这样的机构便于NC系统 的PLC用两个输出线、两个输入线进行控制。两个输出线一为运行信号， 一为方向信号， 输入线一为另位信号， 一为定位对准信号。当NC系统的PLC变运行信号为有效，使刀盘 开始回转，同时对收到的定位对准信号进行计数，当计数值达到时，立即关闭运行信号，电 机立即减速停车。因信号有延迟，电机减速停车也会冲过一定角度，为保证停车后的位置仍 位于停止区内，即刀盘仍能准确定位，停止周期要足够大。所以靠马氏机构或凸轮滚销机构 来驱动刀盘，目的之一就是为实现有足够大的停止区。以保证电机停车后不会冲出停止区， 保证储刀盘锁定在对准主轴的位置上。
然而本机构的缺点也在于此。必不可少的50%—60%的停止区，使刀盘运行每一刀位 都要停止一次，停止时间超过运行时间，而且每运行一个刀位都必须经过加速一回转—减速 的过程。如要换的刀相隔8—10个刀位，换刀要经过8 — 10次反复的停止一加速一回转一减 速一停止的过程，要花费大约6—10秒的时间，对于越来越快的机床运行速度，这实在是太 慢了
实用新型内容
本实用新型是为避免上述现有技术所存在的缺点，提供一种换刀速度可以大大加快的加 工中心刀库。
本实用新型解决技术问题所采用的技术方案是
本实用新型的结构特点是设置安装在刀盘轴上、由伺服电机驱动回转的可夹持N把刀 的刀盘，设置从机床数控系统接受刀盘目标位置信号，并发送给伺服电机驱动器作为伺服电 机的运动控制信号的刀盘控制器，刀盘控制器具有刀号信息输入接口，可以从机床NC数控 系统接受如下之一形式的刀盘目标位置信号
M位二进制信号，二进制值为目标刀号、
串行信号，串行码值=目标刀号、
脉冲串，脉冲数=目标刀号、
变脉宽方波，脉宽-目标刀号XK、
M-l位二进制信号+方向信号，二进制值=刀号增量、
串行信号+方向信号，串行码值=刀号增量、
脉冲串+方向信号，脉冲数=刀号增量、
或变脉宽方波+方向信号，脉宽=刀号增量*&，
其中，M为3， 4, 5, 6时，最大刀位数分别为8， 16， 32， 64; & 回转一个刀位所 需时间；刀号增i均为绝对值。
本实用新型的结构特点也在于
刀盘控制器具有运动控制信号输出接口，该接口输出信号方式为下述两者之一 一为正 反转两路脉冲信号，另一为一个脉冲信号加一个方向信号；所述脉冲信号均具有升频和降频 过程，脉冲总数与刀盘应回转的角度成正比。
刀盘控制器具有为设置刀盘速度、刀位数，以及设置从NC数控系统接受刀盘目标位置 信号形式的参数设置装置，参数设置装置为跳线、或是DIP开关、或是按键及显示器。
在刀盘控制器上装有按键接口和控制刀盘左右回转或回零的手动按键。
刀盘控制器上装有一个刀盘反馈信号接口，在刀盘上同心地安装有一个编码盘， 一个传 感器架角度可调整地安装在刀盘轴上；传感器架上装有传感器A和传感器B，传感器A所 对应的编码盘同心圆区域上，等分地制有N个特征点，传感器A检测到任一个特征点时发 出一个刀位对准信号，该信号经刀盘反馈信号接口反馈到刀盘控制器以校正刀盘每次回转的 定位误差；传感器B所对编码盘同心圆区域上，制有l个特征点，传感器B检测到该点时 发出一个另位信号；该信号经刀盘反馈信号接口反馈到刀盘控制器用以确定另号刀的位置， 所述N为刀位数。
所述用于驱动刀盘的伺服电机安装在刀盘内部并直接驱动刀盘或伺服电机安装在刀盘 座上并通过传动机构与刀盘联动，传动机构为齿轮付，或同步齿轮皮带付，或蜗轮蜗杆付， 或它们的组合结构。
本实用新型是以伺服电机直接，或通过减速机构驱动刀盘回转，在伺服电机驱动器和 NC系统之间加一个刀盘控制器，该控制器接受NC系统发来的有关刀盘目标位置的信号， 并向伺服电机驱动器发出运动控制信号，控制其按就近选刀的方向，并按加速、高速回转和 减速的规律运行，并保证刀盘停止时的位置与NC系统指令目标位置准确一致。与已有技术
相比，本实用新型的有益效果体现在
1、 本实用新型刀库刀盘在接到NC系统发来的刀盘位置信号后，能一次完成加速，高 速回转，减速，及准确定位的过程。与采用马氏机构和凸轮机构的己有技术相比，速度可加 快4一8倍，接近带机械臂的圆盘式或键式刀库的换刀速度，
2、 本实用新型机械结构十分简单，可靠性远高于已有圆盘式或链式刀库，也高于己有 的斗笠式刀库。
图1为本实用新型结构示意图。
图2为本实用新型控制电路方框图。
图3为本实用新型刀盘控制器内部电路框图。
图4为本实用新型以高速伺服电机经减速机构驱动刀盘的结构示意图。
图中标号l刀库座、2气缸、3刀盘座、4刀盘轴、5轴承A、 6轴承B、 7刀盘、8伺 服电机、9编码盘、IO传感器架、ll传感器A、 12光电传感器B、 14伺服电机驱动器、15 刀盘控制器、17大齿轮、18小齿轮、19大同步轮、20小同步轮、21刀号信息输入接口、 22手动按键接口、 23刀盘反馈信号接口、 24运动控制信号输出接口、 25刀号显示器接口、 26参数设置装置。
以下通过具体实施方式
，并结合附图对本实用新型作进一步描述
具体实施方式
参见图l，刀盘7通过A轴承5、 B轴承6安装在刀盘轴4上，并可在其上自由转动， 刀盘轴4垂直地画定在刀盘座3上，刀盘座3通过直线轴承安装在刀库座1上并可由一个气 缸2推动左右平移。 一个内装伺服电机8的外转子安装在刀盘7壳体内孔中，其内定子安装 在刀盘轴4上，电机电缆穿过刀盘轴4中孔引出，接到一个伺服电机驱动器14上，这样通 过控制驱动器的输入信号就可控制刀盘7左右回转及定位。
参见图2，刀盘控制器15通过刀号信息输入接口 21接受NC系统PLC发来的包含刀盘 目标位置信息的信号，并向伺服电机驱动器14发出二路运动控制信号，控制刀盘按就近选 刀的方向，按加速，恒速，减速的规律运行，准确达到目标位置。刀盘控制器15还带有手 动按键和刀号显示器，以便手动操作刀盘左右转或回另，以及用来选择PLC信号方式和设 置刀盘最高转速等。
图2、图3所示，刀盘上同心地安装一个编码盘9，在固定的刀盘轴4上安装一个传感 器架10，其上装有A光电传感器11和B光电传感器12,编码盘9与A光电传感器11相对 的同心圆上制有与刀位一致的N个孔，这样在每个刀位对准主轴时，A光电传感器ll将发 出一个到位对准信号。该信号一面反馈到NC系统，供其判断是否能进行下一步的换刀动作，
以避免动作失误和机构损坏。该信号同时又通过刀盘反馈信号接口 23反馈到刀盘控制器， 以便在每次时刀盘回转的终点校正定位误差。
编码盘9与B光电传感器12相对的同心圆上制有一个孔，当B光电传感器12检测到 该孔，会发出一个另位信号。该信号可供刀盘控制器和数控系统确认刀盘上的零号刀位。
具体实施中，如图4所示，可采用高速伺服电机经由大齿轮17、小齿轮18、大同步轮 19和小同步轮20构成的减速机构驱动刀盘。也可以采用步进电机和步进驱动器用来代替伺 服电机和伺服驱动器。
开孔编码盘与传感器也可用铁磁编码盘和磁电传感器、金属编码盘和接近开关等代替。 伺服或步进电机驱动器14也可与刀盘控制器15做成一体。
具体工作方法
NC系统发给刀盘控制器的信号可以是刀盘绝对位置信号，也可以是相对位置信号加一 个方向控制信号。其信号形式可采用下列8种之一， 以16把刀的刀盘为例
1,绝对位置信号 (另加一根起动信号线)a. 4位二进制并行，二进制值=目标刀号5线
b. 二进制串行， 二进制值=目标刀号2-3线
c.脉冲串， 脉冲数=目标刀号2线
d.变脉宽方波， 脉宽与目标刀号成正比2线
2，相对位置信号 (另加一根方向控制线)e. 3位二进制并行，二进制值=刀号增量4线
f. 二进制串行， 二进制值-刀号增量2线
g.脉冲串， 脉冲数=刀号增量2线
h.变脉宽方波，脉宽与刀号增量成正比2线
如采用绝对位置信号，NC系统PLC过程将简化为只需把加工程序中的Tn—即目标刀 号发给刀盘控制器，但刀盘控制器收到该信号后必须计算目标刀号和所记忆的当前刀号之差 值，即刀号增量。刀号增量的绝对值应小于刀位数N之半，否则说明不符合就近选刀的原 则，应改变刀号塌量的符号，并调整刀号增量的值为(N-刀号增量)。然后按调整后的刀号增 量计算伺服驱动器运行总步数，并分配加速段，恒速段，减速段的步数，最后按升频，恒频， 降频的规律向伺服驱动器发出一个脉冲串和一个方向信号。脉冲总数等于所计算出的运行总 步数。方向信号的电平和调整后刀号增量的符号对应。上述信号形式^传输速度最快，但 占PLC 口线较多，信号形式b，c, d，只需一或两根口线，但用PLC实现速度较慢，导致从PLC 发出信号到刀盘起动之间有些延时。如在乎该延时对换刀速度的影响，可另加一起动信号线，在刀盘运行前预先传送目标刀号，而在需要刀盘运行时，发一个起动信号立即起动刀盘回转。 这正好适合加工程序"Tn M06"的格式，当读到Tn时即把目标刀号发给刀盘控制器，而执 行M06后，要先执行一系列动作，如主轴准停，主轴升到还刀位置，刀库推进，松刀，主 轴再升到换刀位置等以后，才能发起动信号使刀盘回转。
如采用相对位置信号，PLC需要发一个方向信号和一个刀号增量信号。即PLC要按加 工程序指定的目标刀号(Tn)和所记忆的当前刀号计算出带符号的刀号增量，并判断是否符 合就近选刀的原则，如不符，则要改变刀号增量的符号，并调整刀号增量的值为(N-刀号增 量)。最后发给刀盘控制器的刀号增量信号是上述调整后刀号增量的绝对值，方向信号的电 平和调整后刀号墦量的符号对应。
刀盘控制器一收到PLC发来的刀号增量信号和方向信号可立即起动伺服电机，并执行 加速过程。如采用f，g，h信号形式，刀号增量信号的后续部分可在加速段接受完毕，并及时 计算出伺服电机运行总步数和减速段步数，正确控制刀盘运行，减速，准停的过程。
一个实用的刀盘控制器为适应不同NC系统和不同机床的要求，应内装有多种信号接收 方式，供用户选择采用其中一种。还应使用户能设置刀盘最高速度和设置刀位数量，这就需 要加一个参数设置装置26，它可以是跳线、DIP开关、按键和显示器等多种形式。另外刀盘 控制器上还应带有手动控制刀盘左转，右转，回另等的按键接口 22和按键。另外可加一个 刀号显示接口 25和一个显示器以显示当前刀号。按键和显示器也可用于设置刀盘速度、设 置刀位数量和选择信号方式，所以有了按键和显示器也可把参数设置装置26省略。
刀盘控制器具有一个运动控制信号输出接口 24，用以控制伺服驱动器14，控制信号可 以是脉冲串方式，也可以是模拟方式。前者需要两根控制线， 一为脉冲线， 一为方向线，或 一为正向脉冲线， 一位反向脉冲线。后者需一根控制线，即士0 10V电平信号。电平的正 负控制转向，电平的高低控制转速。但另需多根反馈线接到一个编码器，该编码器与伺服电 机轴或刀盘机械相连。
伺服电机及驱动器，在一定的条件下，如有电子干扰等，会发生少量偏移。长时间运行 后，该偏移会积累到影响换刀系统运行。所以为确保刀盘完成回转后，刀盘装刀位与主轴始 终准确对准，本实用新型在刀盘控制器上增加一个刀盘反馈信号接口 23，并在刀盘上同心 地安装一个编码盘，在固定的刀盘轴上安装一个传感器架，其上装有光电传感器，编码盘与 光电传感器相对的同心圆上制有与刀位一致的N个孔，这样在每个刀位对准主轴时，光电 传感器将发出一个到位对准信号。该信号有两个用途，1、反馈到NC系统，除非该信号有效，NC系统不能进行下一步换刀动作，如刀库推进 还刀，或主轴下降抓刀，从而可避免动作失误和机构损坏。
2、通过接口刀盘反馈信号接口 23反馈到刀盘控制器15可用来及时校正刀盘回转终点 的位置。
该刀盘编码盘上还有一个同心圆，其上只有一个孔，另外一个光电传感器来检测该孔， 并发出一个位信号。有了该信号，刀盘控制器和数控系统就可以确认刀盘上那个刀位是O号 或1号。
权利要求1、一种加工中心刀库，其特征是设置安装在刀盘轴(4)上、由伺服电机(8)驱动回转的可夹持N把刀的刀盘(7)，设置从机床数控系统接受刀盘目标位置信号，并发送给伺服电机驱动器(14)作为伺服电机(8)的运动控制信号的刀盘控制器(15)，所述刀盘控制器(15)具有刀号信息输入接口(21)，可以从机床NC数控系统接受如下之一形式的刀盘目标位置信号M位二进制信号，二进制值为目标刀号、串行信号，串行码值＝目标刀号、脉冲串，脉冲数＝目标刀号、变脉宽方波，脉宽＝目标刀号×K、M-1位二进制信号+方向信号，二进制值＝刀号增量、串行信号+方向信号，串行码值＝刀号增量、脉冲串+方向信号，脉冲数＝刀号增量、或变脉宽方波+方向信号，脉宽＝刀号增量*K，其中，M为3，4，5，6时，最大刀位数分别为8，16，32，64；K＜＜回转一个刀位所需时间；刀号增量均为绝对值。
2、 根据权利要求1所述的加工中心刀库，其特征是所述刀盘控制器(15)具有运动控 制信号输出接口 (24)，该接口输出信号方式为下述两者之一 一为正反转两路脉冲信号， 另一为一个脉冲信号加一个方向信号；所述脉冲信号均具有升频和降频过程，脉冲总数与刀 盘应回转的角度成正比。
3、 根据权利要求1所述的加工中心刀库，其特征在于所述刀盘控制器(15)具有为设 置刀盘速度、刀位数，以及设置从NC数控系统接受刀盘目标位置信号形式的参数设置装置(26)，所述参数设置装置(26)为跳线、或是DIP开关、或是按键及显示器。
4、 根据权利要求1所述的加工中心刀库，其特征是在所述刀盘控制器(15)上装有按 键接口 (22)和控制刀盘左右回转或回零的手动按键。
5、 根据权利要求1所述的加工中心刀库，其特征是所述刀盘控制器(15)上装有一个 刀盘反馈信号接口 (23),在刀盘(7)上同心地安装有一个编码盘(9)， 一个传感器架(10) 角度可调整地安装在刀盘轴(4)上；传感器架(10)上装有传感器A (11)和传感器B (12)， 传感器A(11)所对应的编码盘(9)同心圆区域上，等分地制有N个特征点，传感器A(ll) 检测到任一个特征点时发出一个刀位对准信号，该信号经刀盘反馈信号接口 (23)反馈到刀 盘控制器(15)以校正刀盘每次回转的定位误差；传感器B (12)所对编码盘同心圆区域上， 制有l个特征点，传感器B(12)检测到该点时发出一个另位信号；该信号经刀盘反馈信号接口 (23)反饿到刀盘控制器(15)用以确定另号刀的位置，所述N为刀位数。
6、根据权利要求1所述的加工中心刀库，其特征是所述用于驱动刀盘(7)的伺服电机 (8)安装在刀盘(7)内部并直接驱动刀盘(7);或伺服电机(8)安装在刀盘座(1)上并 通过传动机构与刀盘(7)联动，所述传动机构为齿轮付，或同步齿轮皮带付，或蜗轮蜗杆 付，或它们的组合结构。
专利摘要一种加工中心刀库，采用伺服电机直接驱动刀盘回转，并用一个刀盘控制器接受NC系统发来含有刀盘目标位置信息的信号，并控制伺服驱动器和伺服电机以就近选刀方向，以加速、高速、减速的运动规律驱动刀盘快速回转，一步到位，准确对准。提高了刀库的换刀速度。刀盘上装有附加编码盘和传感器，其发出的对准信号供NC系统避免换刀动作失误和机构损坏。并供刀盘控制器校正定位误差。
文档编号G05B19/18GK201075175SQ20072003941
公开日2008年6月18日 申请日期2007年6月6日 优先权日2007年6月6日
发明者邵文远 申请人:邵文远