CN107994835A - 刀库刀仓伺服增量电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种刀库刀仓伺服增量电机控制方法，包括伺服电机、伺服驱动器、感应轮和计数接近开关，所述伺服驱动器驱动伺服电机，所述感应轮同轴安装在伺服电机的驱动芯轴上，所述计数接近开关设置在所述感应轮的一侧，当感应轮随驱动芯轴转动一周，刀仓将会旋转两个刀位，对应的计数接近开关计数两次；引入伺服驱动器，在此平台上，利用软件在算法上对计数信号进行处理。处理结束后，伺服驱动器会输出一个模拟计数信号，上位机读取此模拟计数信号，能够很好的解决刀库因为计数信号偶发干扰所引起的乱刀故障。

Description

刀库刀仓伺服增量电机控制方法

技术领域

本发明涉及数控机床技术领域，特别是涉及一种刀库刀仓伺服增量电机控制方法。

背景技术

通过控制刀库刀仓马达向正方向或者反方向旋转，从而带动刀仓向正、反方向旋转来找寻所需要的刀具，找到刀具后，控制刀仓马达停止旋转，这一过程称之为选刀。

具体控制流程为：上位机(数控机床上的CNC数控系统)执行换刀指令(如M06T10)时，上位机会作一判断：如果目标刀具不是主轴上的当前刀具且也不是刀仓中当前刀套中的刀具时，上位机(数控机床上的CNC数控系统)会发出一个选刀信号，此信号是控制刀仓马达正转、反转的信号，也可称之为刀仓正转信号、刀仓反转信号，通过此信号，利用外部电路控制刀仓马达旋转带动刀仓转动，刀仓每转到一个刀位时都会产生计数信号，上位机(数控机床上的CNC数控系统)读取了此计数信号后，内部利用梯形图进行计数处理，当计数条件满足要求时，上位机(数控机床上的CNC数控系统)将会断开此选刀信号，选刀信号被断开后，刀仓马达将进行刹车停机，刀仓马达停止后，选刀结束。

众所周知，刀库有时会产生偶发性的乱刀现象，这一故障发生的根源很大程度上是因为计数信号的偶发性干扰所产生。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：为了解决这种偶发性干扰，势必然要对计数信号进行处理，为此引入了伺服驱动，在此平台上，利用软件在算法上对计数信号进行处理。处理结束后，驱动器会输出一个模拟计数信号，上位机读取此模拟计数信号，能够很好的解决刀库因为计数信号偶发干扰所引起的乱刀故障。

为使陈述清楚明了，现集中定义本发明所涉及的部分符号和概念。

计数信号S：刀库刀仓每转一个刀位都会产生一个信号，此信号称之为计数信号。

原点信号：刀库刀仓每转一圈都会产生一个信号，此信号称之为原点信号。

刀套水平信号：刀套处于水平位置的一个到位信号，此信号有效时表示刀套水平。

刀套垂直信号：刀套处于垂直位置的一个到位信号，此信号有效时表示刀套垂直。

选刀信号：上位机(数控机床上的CNC数控系统)所发出的控制刀仓马达转动的信号，可分为刀仓正转信号，刀仓反转信号。

模拟计数信号SM：计数信号经驱动器处理后所输出的计数信号，是在合理区间内，驱动器所给出的一个同步于计数信号S的信号。

电机位置X：检测到下降沿之后开始读取电机编码器的反馈数据。

标准脉冲数A：刀仓感应轮下降沿到感应轮中间的脉冲数；

第一下降沿与上升沿编码器位置之差B：刀仓换相邻刀时感应轮之外的脉冲数；

第一下降沿与第二下降沿编码器位置之差C：下降沿与下降沿刀仓换相邻刀所产生的脉冲数定义为C；

报警位置偏差D：刀仓感应轮感应范围内的脉冲数的一半；

本发明解决其技术问题所要采用的技术方案是：一种刀库刀仓伺服增量电机控制方法，包括伺服电机、伺服驱动器、感应轮和计数接近开关，所述伺服驱动器驱动伺服电机，所述感应轮同轴安装在伺服电机的驱动芯轴上，所述计数接近开关设置在所述感应轮的一侧，当感应轮随驱动芯轴转动一周，刀仓将会旋转两个刀位，产生两次由低电平到高电平的信号状态变化，对应的计数接近开关计数两次；

控制方法还包括以下步骤：

步骤1：上位机开始执行换刀命令，判断当前主轴上的刀具是否是目标刀具，如果是目标刀具则结束；如果不是目标刀具，上位机发出选刀信号给伺服驱动器；同时，通过伺服驱动器的I/O接口读取当前计数信号S，将所述计数信号S作为基准信号，为模拟计数信号SM的输出提供基准条件；

步骤2：伺服驱动器接收到选刀信号，当检测到有正转运行信号时，伺服驱动器控制伺服电机正转运行；当检测到有反转运行信号时，伺服驱动器控制伺服电机反转运行；

步骤3：当计数接近开关检测到计数信号下降沿时，读取编码器反馈的电机位置X，并且置模拟计数信号SM输出无效；

步骤4：判断电机位置X对应的脉冲数是否在标准脉冲数A的报警位置偏差范围内，当在该范围内时，如果检测到计数信号S，则认为此时检测到的计数信号S为有效信号，计数信号S送进伺服驱动器进行处理，由伺服驱动器同步输出模拟计数信号SM给上位机；否则输出驱动报警器；

步骤5：重复步骤1-步骤4，上位机读取此模拟计数信号SM，当上位机判断计数条件满足目标刀具要求时，上位机将会断开此选刀信号，同时选刀信号被断开后，刀仓伺服电机将进行刹车停机，当仓伺服电机停止后，选刀结束。

进一步，步骤4具体包括：

标准脉冲数A＝B+(C–B)/2；

偏差脉冲数D＝(C–B)/2+Y；

其中，A为标准脉冲数；B为第一下降沿与上升沿编码器位置之差脉冲数；C为第一下降沿与第二下降沿编码器位置之差脉冲数；D为报警位置偏差脉冲数；Y为一变量，且Y≥0，可适当加减，用以减少机械或计数误差；

假设电机位置为X，

当A-D<X<A+D时，且计数信号S有效(计数接近开关有感应)时，则说明电机位置处于正常范围内，驱动器输出模拟计数信号；

当X<A-D或X>A+D时，此时若计数信号S有效(计数接近开关有感应)，则判断为计数干扰信号，驱动器不输出模拟计数信号；

当X>A+D时，仍未检测到计数信号，则判断为计数接近开关坏或接收电路有故障，伺服驱动器出现报警并停止刀仓马达。

进一步，所述伺服驱动器还引入刀套水平信号和刀套垂直信号，并在该控制方法的软件中使刀套水平信号和刀套垂直信号互锁，当刀套不在水平位置时，即使上位机(数控机床上的CNC数控系统)有选刀信号输出，伺服驱动器将不会驱动刀仓马达；并且产生报警信号，防止刀套或机械结构被撞坏。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种刀库刀仓伺服增量电机控制方法，通过伺服驱动器对计数信号的判断，屏蔽了计数信号在非刀套正常停止位置时的有效性，计数信号只有在感应轮的感应区域内有效，在感应区域外时，即使计数信号有效，伺服驱动器也不会有模拟计数信号输出，降低了计数信号干扰的产生，解决了计数信号偶发干扰所引起的乱刀故障。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明控制方法的流程示意图；

图2是本发明控制方法的原理示意图。

图中：1、感应轮，2、计数接近开关，3、第一下降沿产生位置，4、第二下降沿产生位置，5、上升沿产生位置，6、旋转方向。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1-图2所示，本发明的一种刀库刀仓伺服增量电机控制方法，包括伺服电机、伺服驱动器、感应轮1和计数接近开关2，所述伺服驱动器驱动伺服电机，所述感应轮1同轴安装在伺服电机的驱动芯轴上，所述计数接近开关2设置在所述感应轮1的一侧，当感应轮1随驱动芯轴转动一周，刀仓将会旋转两个刀位，对应的计数接近开关2计数两次；本实施例中，刀仓马达采用伺服电机。

控制方法还包括以下步骤：

步骤1：上位机开始执行换刀命令，判断当前主轴上的刀具是否是目标刀具，如果是目标刀具则结束；如果不是目标刀具，上位机发出选刀信号给伺服驱动器；同时，通过伺服驱动器的I/O接口读取当前计数信号S，将所述计数信号S作为基准信号，为模拟计数信号SM的输出提供基准条件；对于刀仓，当减速机的减速比确定时，刀仓每转一个刀位所产生的反馈脉冲是固定的，也就是说刀仓马达所转动的角度都是固定的。通过监控伺服驱动器的编码器反馈，可获取以下数据：下降沿与上升沿编码器位置之差，下降沿与下降沿编码器位置之差；通过计算可以设置标准脉冲数和报警位置偏差。

步骤2：伺服驱动器接收到选刀信号，当检测到有正转运行信号时，伺服驱动器控制伺服电机正转运行；当检测到有反转运行信号时，伺服驱动器控制伺服电机反转运行；

步骤3：当计数接近开关2检测到计数信号下降沿时，读取编码器反馈的电机位置X，并且置模拟计数信号SM输出无效；

步骤4：判断电机位置X对应的脉冲数是否在标准脉冲数A的报警位置偏差范围内，当在该范围内时，如果检测到计数信号S，则认为此时检测到的计数信号S为有效信号，计数信号S送进伺服驱动器进行处理，由伺服驱动器同步输出模拟计数信号SM给上位机；否则输出驱动报警器；

步骤5：重复步骤1-步骤4，上位机读取此模拟计数信号SM，当上位机判断计数条件满足目标刀具要求时，上位机将会断开此选刀信号，同时选刀信号被断开后，刀仓伺服电机将进行刹车停机，当仓伺服电机停止后，选刀结束。

如图2所示，感应轮1是装在驱动芯轴上的，与驱动芯轴是一体的。当感应轮1旋转一周，刀仓将会旋转两个刀位。图中为感应轮1顺时针旋转(详见旋转方向6)时产生的计数信号上升沿、下降沿；由于旋转一周对应两个刀位，因此感应轮1具有两个下降沿，即第一下降沿和第二下降沿，第一下降沿产生位置3、第二下降沿产生位置4和上升沿产生位置5详见图所示。

标准脉冲数A＝B+(C–B)/2；

偏差脉冲数D＝(C–B)/2+Y；

其中，A为标准脉冲数；B为第一下降沿与上升沿编码器位置之差脉冲数；C为第一下降沿与第二下降沿编码器位置之差脉冲数；D为报警位置偏差脉冲数；Y为一变量，且Y≥0，可适当加减，用以减少机械或计数误差；

假设电机位置为X，

当A-D<X<A+D时，且计数信号S有效(计数接近开关2有感应)时，则说明电机位置处于正常范围内，驱动器输出模拟计数信号；

当X<A-D或X>A+D时，此时若计数信号S有效(计数接近开关2有感应)，则判断为计数干扰信号，驱动器不输出模拟计数信号；

当X>A+D时，仍未检测到计数信号，则判断为计数接近开关2坏或接收电路有故障，伺服驱动器出现报警并停止刀仓马达。

一般情况下，上位机(数控机床上的CNC数控系统)输出选刀信号后，通过外部电路控制刀仓马达进行正、反转运行进行选刀。如果上位机(数控机床上的CNC数控系统)没有预先判断刀套的位置，在刀套垂直情况下发出了选刀信号，此时刀仓马达运行将会撞刀套，严重时可导致机械结构被撞毁，导致不必要的损失。

进一步，所述伺服驱动器还引入刀套水平信号和刀套垂直信号，并在该控制方法的软件中使刀套水平信号和刀套垂直信号互锁，当刀套不在水平位置时，即使上位机(数控机床上的CNC数控系统)有选刀信号输出，伺服驱动器将不会驱动刀仓马达；并且产生报警信号，防止刀套或机械结构被撞坏。

具体的，有了伺服驱动器平台后，通过驱动器I/O接口读取“选刀信号”、“刀套水平信号”、“刀套垂直信号”。有了这三个信号，就可以对刀仓马达的启动进行管控了。

现定义如下：

选刀信号有效条件：选刀信号＝1

选刀信号无效条件：选刀信号＝0

刀套水平信号有效条件：刀套水平信号＝1

刀套水平信号无效条件：刀套水平信号＝0

刀套垂直信号有效条件：刀套垂直信号＝1

刀套垂直信号无效条件：刀套垂直信号＝0

故刀仓马达启动的唯一条件：选刀信号＝1&刀套水平信号＝1&刀套垂直信号＝0

只有上述三个条件同时满足时，刀仓马达才能正、反转运行。

另外，采用伺服电机和伺服驱动器除了具有计数信号的抗干扰作用和刀套位置的自动判别功能，还具有以下优势：

刀仓寻刀速度加快：在刀仓马达额定转速范围内，马达运行速度可以任意设置，刀仓马达额定转速为2500r/min。如马达转速设定为2500r/min,减速比为1/30,相邻刀套间的选刀时间为0.36秒，如马达转速设定为2300r/min，减速比同为1/30，相邻刀套间的选刀时间为0.39秒。

刀仓制动更快、更稳定：刀仓制动由电气控制取代机械刹车控制，伺服化刀仓马达刹车由驱动器控制，加减速平稳，响应快，制动稳定，降低噪音，相比机械刹车的机械磨损，机械结构的干涉，伺服刀仓更稳定，使用寿命更长。

对外部电压的要求降低：终端客户处由于国内电网因素，有些在用电峰值时，电压会降低到360V以下，可能导致刀仓普通马达中的刹车机构脱不开，从而造成不必要的故障。

伺服刀仓的过载能力及超载后的报警保护：伺服马达有一定的过载能力，但过极限时会自我保护产生报警，如果出现意外的机械卡死现象，伺服驱动器会报警且内部会自动切断强电的电路，使马达处于自由状态，从而保护马达，相比伺服，普通刀仓马达将处于堵转状态，在此情况下，如果上位机(数控机床上的CNC数控系统)梯形图处理不当，及有可能烧毁刀仓马达。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本发明的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (3)

1.一种刀库刀仓伺服增量电机控制方法，其特征在于：包括伺服电机、伺服驱动器、感应轮(1)和计数接近开关(2)，所述伺服驱动器驱动伺服电机，所述感应轮(1)同轴安装在伺服电机的驱动芯轴上，所述计数接近开关(2)设置在所述感应轮(1)的一侧，当感应轮(1)随驱动芯轴转动一周，刀仓将会旋转两个刀位，对应的计数接近开关(2)计数两次；

控制方法还包括以下步骤：

步骤1：上位机开始执行换刀命令，判断当前主轴上的刀具是否是目标刀具，如果是目标刀具则结束；如果不是目标刀具，上位机发出选刀信号给伺服驱动器；同时，通过伺服驱动器的I/O接口读取当前计数信号S，将所述计数信号S作为基准信号，为模拟计数信号SM的输出提供基准条件；

步骤2：伺服驱动器接收到选刀信号，当检测到有正转运行信号时，伺服驱动器控制伺服电机正转运行；当检测到有反转运行信号时，伺服驱动器控制伺服电机反转运行；

步骤3：当计数接近开关(2)检测到计数信号下降沿时，读取编码器反馈的电机位置X，并且置模拟计数信号SM输出无效；

步骤4：判断电机位置X对应的脉冲数是否在标准脉冲数A的报警位置偏差范围内，当在该范围内时，如果检测到计数信号S，则认为此时检测到的计数信号S为有效信号，计数信号S送进伺服驱动器进行处理，由伺服驱动器同步输出模拟计数信号SM给上位机；否则输出驱动报警器；

步骤5：重复步骤1-步骤4，上位机读取此模拟计数信号SM，当上位机判断计数条件满足目标刀具要求时，上位机将会断开此选刀信号，同时选刀信号被断开后，刀仓伺服电机将进行刹车停机，当仓伺服电机停止后，选刀结束。

2.如权利要求1所述的刀库刀仓伺服增量电机控制方法，其特征在于：步骤4具体包括：

标准脉冲数A＝B+(C–B)/2；

偏差脉冲数D＝(C–B)/2+Y；

其中，A为标准脉冲数；B为第一下降沿与上升沿编码器位置之差脉冲数；C为第一下降沿与第二下降沿编码器位置之差脉冲数；D为报警位置偏差脉冲数；Y为一变量，且Y≥0，用以减少机械或计数误差；

假设电机位置为X，

当A-D<X<A+D时，且计数信号S有效时，则说明电机位置处于正常范围内，驱动器输出模拟计数信号；

当X<A-D或X>A+D时，此时若计数信号S有效，则判断为计数干扰信号，驱动器不输出模拟计数信号；

当X>A+D时，仍未检测到计数信号，则判断为计数接近开关(2)坏或接收电路有故障，伺服驱动器出现报警并停止刀仓马达。

3.如权利要求2所述的刀库刀仓伺服增量电机控制方法，其特征在于：所述伺服驱动器还引入刀套水平信号和刀套垂直信号，并使刀套水平信号和刀套垂直信号互锁，当刀套不在水平位置时，即使上位机有选刀信号输出，伺服驱动器将不会驱动刀仓马达；并且产生报警信号。