CN108015595B - 一种数控加工中心自动换刀装置及智能控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种数控加工中心自动换刀装置及智能控制系统，该自动换刀装置主要包括圆盘式刀库、刀库驱动伺服电机、机械手和机械手驱动伺服电机，运用Windows系统的开发环境和面向对象的开发工具Visual C++6.0，建立控制数控加工中心换刀动作的智能控制系统，智能控制系统根据传感器采集的信息进行分析，在线决策向自动换刀装置发出换刀指令，在刀具信息数据储存结构中搜寻所选刀具对应的目标位置，刀库驱动伺服电机驱动圆盘式刀库旋转到目标位置，机械手驱动伺服电机驱动机械手完成换刀动作，本发明的一种数控加工中心自动换刀装置及智能控制系统具有高度的开放性、实时性和可靠性，并能够有效实现在加工过程中的自动换刀动作，且结构简单、易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及一种数控机床换刀装置，特别是涉及一种数控加工中心自动换刀装置及智能控制系统。
背景技术
随着科学技术的发展，制造加工业的需求不断增加，机械制造设备的自动化程度也得到了很大的提高，在现有数控加工中心的换刀装置，大都实现了自动化，自动换刀装置是数控加工中心的重要组成部分，可实现工件一次装夹后在多道加工工序中自动换刀，因此，自动换刀装置结构设计的合理性起到了重要的作用，可以有效的防止在多次换刀动作中发生异常停止和运动轴撞击机械手导致刀库、机床损坏现象的发生。
现阶段的数控加工中心的换刀系统是通过PLC的控制刀库旋转以及机械手的换刀等过程，若采用传统的PLC，在输入和输出端口带有复杂的连线，处理速度不及基于PC的软PLC处理速度快，换刀系统也不能完成实时对通过传感器采集的信息做出判断并发出换刀指令，随着科学技术的发展，自动换刀装置向智能化方向发展，已是主要的发展趋势，因而，现如今缺少一种电路设计简单、使用操作简单且智能化程度高的换刀系统的智能控制方法，其次在保证换刀系统运行稳定性高，能较大程度上减少换刀时间。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种数控加工中心自动换刀装置及智能控制系统，本数控加工中心换刀装置主要包括圆盘式刀库、刀库驱动伺服电机、机械手和机械手驱动伺服电机，运用Windows系统的开发环境和面向对象的开发工具Visual C++6.0，建立控制数控加工中心换刀动作的智能控制系统，智能控制系统根据传感器采集的信息进行分析，在线决策向自动换刀装置发出换刀指令，在刀具信息数据储存结构中搜寻所选刀具的位置，将其设定为圆盘式刀库所要旋转到的目标位置，刀库驱动伺服电机驱动圆盘式刀库旋转到目标位置，机械手驱动伺服电机驱动机械手完成换刀动作。
本数控加工中心自动换刀装置及智能控制系统，圆盘式刀库内设置有24个刀座，圆盘式刀库上设置有刀库刀位复位开关、机械手扣刀确认开关、机械手驱动伺服电机停止开关和机械手原点确认开关，机械手驱动伺服电机通过弹性联轴器与丝杠连接，丝杠两端由带支座的滚珠轴承支撑，当机械手驱动伺服电机转动时，丝杠能跟随转动，丝杠上滚珠丝杠螺母座沿导轨导向滑动，带动摇杆转动，丝杠下端通过锥齿轮连接凸轮，凸轮上连接有带动机械手旋转的十字轴，十字轴上设置有用于换刀的机械手，机械手上设置有回刀确认开关和倒刀确认开关，倒刀确认开关控制刀套执行倒刀动作。
本数控加工中心自动换刀装置及智能控制系统，系统由操作面板、人机交互界面、PC机、软PLC、自动换刀装置和传感器组成，自动换刀装置主要包括刀库、机械手和夹紧装置，数据采集卡和PCI1758I/O板卡嵌入在PC机的PCI扩展槽上，传感器采集到信息通过数据采集卡传输到上位机，软PLC通过PCI1758I/O板卡向外部设备发送控制信号。
本数控加工中心自动换刀装置及智能控制系统，运用Windows系统的开发环境和面向对象的开发工具Visual C++6.0建立智能控制系统的人机交互界面和软PLC，在控制换刀过程中需要由人机交互界面向软PLC发送指令，采用共享内存的技术实现人机交互界面和软PLC之间的通讯。
本数控加工中心自动换刀装置及智能控制系统，软PLC是由C++语言编写的，实现PLC的全软件化，采用在Windows系统中加入RTX（Real-Time Extension）实时内核的方法，基于Windows+RTX平台建立智能控制系统中的软PLC模块，保证软PLC的实时性。
本数控加工中心自动换刀装置及智能控制系统，运用Windows系统的开发环境和面向对象的开发工具Visual C++6.0建立系统中刀具编号链表式的数据储存结构和控制圆盘式刀库快速旋转到目标位置的控制算法，将数控加工中心的刀库中的刀具进行编号，并将刀具编号存放在链表式的数据储存结构中，当锁定刀具编号在圆盘式刀库中的位置时，圆盘式刀库按刀库旋转控制算法快速旋转到目标位置。
通过上述结构可知，本发明的数控加工中心自动换刀装置及智能控制系统的有益效果在于：该数控加工中心自动换刀装置及智能控制系统，由于采用优化的机械手驱动系统的结构、选用伺服电机驱动圆盘式刀库及机械手和建立智能控制系统，能完成数控加工中心的自动换刀动作、结构简单、制造成本与维护成本低，智能控制系统能根据传感器采集的信息进行分析，在线决策换刀策略，具有高度的开放性、实时性和可靠性，特别适用于数控加工中心。
附图说明
图1是本发明圆盘式刀库结构示意图。
图2是本发明机械手结构示意图。
图3是本发明换刀装置控制系统图。
图4是本发明刀库系统数据存储结构图。
图5是本发明圆盘式刀库旋转算法流程图。
附图标记说明：
刀库驱动伺服电机（1）、刀库刀位复位开关（2）、圆盘式刀库（3）、刀座（4）、机械手驱动伺服电机（5）、机械手（6）、回刀确认开关（7）、倒刀确认开关（8）、机械手扣刀确认开关（9）、机械手驱动伺服电机停止开关（10）、机械手原点确认开关（11）、摇杆（12）、十字轴（13）、刀套（14）、凸轮（15）、锥齿轮（16）、滚珠丝杠螺母座（17）、导轨（18）、丝杠（19）、带支座的滚珠轴承（20）、弹性联轴器（21）。
具体实施方式：
下面通过实施例，结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，应该理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-5，一种数控加工中心自动换刀装置及智能控制系统，该数控加工中心换刀装置主要包括圆盘式刀库（3）、刀库驱动伺服电机（1）、机械手（6）和机械手驱动伺服电机（5），运用Windows系统的开发环境和面向对象的开发工具Visual C++6.0，建立控制数控加工中心换刀动作的智能控制系统，智能控制系统根据传感器采集的信息进行分析，在线决策向自动换刀装置发出换刀指令，在刀具信息数据储存结构中搜寻所选刀具的位置，将其设定为圆盘式刀库（3）所要旋转到的目标位置，刀库驱动伺服电机（1）驱动圆盘式刀库（3）旋转到目标位置，机械手驱动伺服电机（5）驱动机械手（6）完成换刀动作。
进一步，如图1和2，圆盘式刀库（3）内设置有24个刀座（4），圆盘式刀库（3）上设置有刀库刀位复位开关（2）、机械手扣刀确认开关（9）、机械手驱动伺服电机停止开关（10）和机械手原点确认开关（11），机械手驱动伺服电机（5）通过弹性联轴器（21）与丝杠（19）连接，丝杠（19）两端由带支座的滚珠轴承（20）支撑，当机械手驱动伺服电机（5）转动时，丝杠（19）能跟随转动，丝杠（19）上滚珠丝杠螺母座（17）沿导轨（18）导向滑动，带动摇杆（12）转动，丝杠（19）下端通过锥齿轮（16）连接凸轮（15），凸轮（15）上连接有带动机械手（6）旋转的十字轴（13），十字轴（13）上设置有用于换刀的机械手（6），机械手（6）上设置有回刀确认开关（7）和倒刀确认开关（8），倒刀确认开关（8）控制刀套（14）执行倒刀动作。
进一步，如图1和2，机械手驱动伺服电机（5）和刀库驱动伺服电机（1）选用带有光电编码器的伺服电机，根据角位移控制电机旋转，旋转角度值由光电编码器反馈到人机交互界面上，准确控制圆盘式刀库（3）和机械手（6）完成换刀动作，当T代码执行后，刀套（14）向下翻转90°，倒刀确认开关（8）发出信号,完成倒刀控制，执行到交换刀具指令，机械手驱动伺服电机（5）起动运行，通过锥齿轮（16）、凸轮（15）、十字轴（13）带动机械手（6）从原位逆时针旋转60°，进行机械手（6）抓刀控制，当机械手扣刀确认开关（9）发出到位信号后，机械手驱动伺服电机（5）立即停止，主轴刀具夹紧松开，机械手驱动伺服电机（5）起动运行，通过摇杆（12）、丝杠（19）、十字轴（13）带动机械手（6）下降，进行拔刀控制，机械手完成拔刀后，机械手驱动伺服电机（5）继续运转，连续完成一下个换刀动作，通过锥齿轮（16）、凸轮（15）、十字轴（13）带动机械手（6）逆时针旋转180°，使主轴刀具与刀库刀具交换位置，然后通过摇杆（12）、丝杠（19）、十字轴（13）使机械手（6）上升，把交换后的刀具插入主轴锥孔和圆盘式刀库（3）的刀套（14）中，机械手（6）完成插刀后，机械手驱动伺服电机停止开关（10）发出信号使机械手驱动伺服电机（5）立即停止，刀具插入主轴锥孔后，刀具的自动夹紧机构夹紧刀具，当机械手扣刀确认开关（9）再次接通后，机械手驱动伺服电机（5）起动运行，通过锥齿轮（16）、凸轮（15）、十字轴（13）带动机械手（6）顺时针转动60°，回到机械手（6）原点位置，机械手原点确认开关（11）接通后，机械手驱动伺服电机（5）立即停止，刀套（14）向上翻转90°，回刀确认开关（7）接通,完成整个换刀控制。
进一步，如图3，该换刀系统由操作面板、人机交互界面、PC机、软PLC、自动换刀装置和传感器组成，自动换刀装置主要包括刀库、机械手和夹紧装置，数据采集卡和PCI1758I/O板卡嵌入在PC机的PCI扩展槽上，传感器采集到信息通过数据采集卡传输到上位机，上位机接收到数据后进行处理分析，智能分析换刀条件，当需要换刀时向软PLC模块发送控制指令，软PLC通过PCI1758I/O板卡向外部设备发送控制信号，实现换刀动作。
进一步，如图3，通过软PLC实现换刀动作分为手动和自动模式，手动模式是按操作面板上的换刀按钮实现换刀，运用Windows系统的开发环境和面向对象的开发工具VisualC++6.0建立智能控制系统的人机交互界面和软PLC，软PLC模块中定时器通过PCI1758I/O板卡扫描到操作面板的换刀信号，软PLC运行系统通过PCI1758I/O板卡向外部设备发送控制信号，实现手动模式换刀动作，软PLC模块中定时器扫描到人机交互界面上加工程序中或智能控制系统发出换刀指令，通过软PLC的运行系统实现自动模式换刀，人机交互界面和智能控制系统采用共享内存的技术实现与软PLC之间的通讯，在人机交互界面和软PLC运行系统的进程上共同设置一块相同地址数据储存空间，通过这块储存空间人机交互界面可向软PLC运行系统发送控制命令。
进一步，运用C++语言编写软PLC模块，实现PLC的全软件化，与传统的PLC相比在数控系统上具有更好的开放性和可移植性，软PLC在工作过程中需具有实时性，因此采用在Windows系统中加入RTX（Real-Time Extension）实时内核的方法，基于Windows+RTX平台建立智能控制系统中的软PLC模块，保证软PLC的实时性。
进一步，如图1和4，运用Windows系统的开发环境和面向对象的开发工具Visual C++6.0建立系统中刀具编号链表式的数据储存结构data[i]，将刀具编号储存在data[i]中，i表示刀具所在圆盘式刀库（3）上的位置，加工开始时，对刀具进行初选，将初选刀具编号从data[i]中取出并赋值为空，圆盘式刀库（3）旋转到对应位置将刀具取出，当接收到换刀命令时，在data[i]中搜索换刀命令所需刀具编号，确定在圆盘式刀库（3）上的位置，将刀具编号从链表式的数据储存结构中取出并将主轴上的刀具编号存放在对应位置上，本系统数据存储结构及存储方法简单且高效、可靠。
进一步，如图1和5，运用Windows系统的开发环境和面向对象的开发工具Visual C++6.0建立控制圆盘式刀库（3）快速旋转到目标位置的控制算法，当锁定刀具编号在圆盘式刀库（3）中的位置时，将主轴当前刀具位置x和目标位置y输入到系统中，圆盘式刀库（3）上有24个刀座（4），两相邻刀座（4）之间为15°，当主轴当前刀具位置x值大于目标位置y值时，将x与y做差值与15°相乘，当主轴当前刀具位置x值小于目标位置y值时，将y与x做差值与15°相乘，所得出的值再与180°比较，运用软PLC控制刀库驱动伺服电机（1）驱动圆盘式刀库（3）向小于180°对应的方向旋转到目标位置。
需要说明的是，本发明的说明书及其附图给出了本发明的优选实施方式，但并不限于本说明书所描述的实施方式，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解更加透彻全面，并非对本发明的构思和保护范围进行限定，对本领域普通技术人员来说，凡在本发明的构思和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应落入本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (4)
1.一种数控加工中心，其特征在于：数控加工中心包括自动换刀装置和智能控制系统，自动换刀装置主要包括圆盘式刀库（3）、刀库驱动伺服电机（1）、机械手（6）和机械手驱动伺服电机（5），运用Windows系统的开发环境和面向对象的开发工具Visual C++6.0，建立控制数控加工中心换刀动作的智能控制系统，智能控制系统根据传感器采集的信息进行分析，在线决策向自动换刀装置发出换刀指令，在刀具信息数据储存结构中搜寻所选刀具对应的目标位置，刀库驱动伺服电机（1）驱动圆盘式刀库（3）旋转到目标位置，机械手驱动伺服电机(5)驱动机械手(6)完成换刀动作；
智能控制系统运用Windows系统的开发环境和面向对象的开发工具Visual C++6.0建立系统中刀具编号链表式的数据储存结构和控制圆盘式刀库（3）快速旋转到目标位置的控制算法，当锁定刀具编号在圆盘式刀库中的位置时，将主轴当前刀具位置x和目标位置y输入到系统中，圆盘式刀库上有24个刀座，两相邻刀座之间为15°，当主轴当前刀具位置x值大于目标位置y值时，将x与y做差值与15 °相乘，当主轴当前刀具位置x值小于目标位置y值时，将y与x做差值与15°相乘，所得出的值再与180°比较，控制刀库驱动伺服电机（1）驱动圆盘式刀库（3）向小于180°对应的方向旋转到目标位置。
2.根据权利要求1所述的数控加工中心，其特征在于：智能控制系统由操作面板、人机交互界面、PC机、软PLC、自动换刀装置和传感器组成，数据采集卡和PCI1758I/O板卡嵌入在PC机的PCI扩展槽上。
3.根据权利要求2所述的数控加工中心，其特征在于：运用Windows系统的开发环境和面向对象的开发工具Visual C++6.0建立智能控制系统的人机交互界面、软PLC和基于共享内存技术的通讯通道，人机交互界面通过该通讯通道与软PLC实现通讯。
4.根据权利要求2或3所述的数控加工中心，其特征在于：所述的软PLC采用在Windows系统中加入RTX（Real-Time Extension）实时内核的方法，基于Windows+RTX平台建立智能控制系统中的软PLC模块。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Xia Wei Inventor after: Liu Xianli Inventor after: Li Maoyue Inventor after: Meng Boyang Inventor after: Meng Xiaochao Inventor before: Liu Xianli Inventor before: Xia Wei Inventor before: Li Maoyue Inventor before: Meng Boyang Inventor before: Meng Xiaochao |
|
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |