基于开放式数控机床的智能换刀系统研究

时间：2024-08-31

宋明伟史文雅张欣王国章易祥云贾卫涛

摘要：基于PLC构建传统自动换刀系统，是通过PLC程序对刀具的选择、换刀时机的确定等进行控制的系统。其系统主要是依靠编程人员实现的一种自动换刀，该系统不仅导致机床工作的效率降低，甚至还可能会危及到数控机床以及相关操作人员自身的安全。因此，文章对开放式数控机床的智能换刀系统进行了研究，并对智能换刀系统的硬件进行了简单的分析，从而提出了基于开放式数控机床的智能换刀系统设计方案。

关键词：智能换刀;开放式数控机床;智能系统;研究;设计

前言：为了进一步推动传统加工制造业与智能技术两者之间的深度融合，随着加工制造过程当中对相关技术的要求不断提升，及时、高效且准确的智能换刀系统成为了当下需要研究的方向，也是现代智能化加工企业的必然选择。因此，如何有效的处理刀具破损、断裂及磨损等对企业造成的问题，实现数控加工过程中智能换刀的问题，是现阶段有待解决的事情。

一、基于开放式数控机床的智能换刀系统设计

首先，基于开放式数控机床进行设计的智能换刀系统，是通过采用层级式的方式进行设计而成。结合相应的硬件控制设备驱动模块作为智能换刀系统的底层，将其换刀的控制程序作为中间层等。因此，所设计出来的智能换刀系统的硬件控制设备的底层驱动程序内核，基于开放式数控机床系统，在驱动硬件控制设备下，可以进行实时环境工作。

（一）智能换刀系统硬件体系的结构

1、基于开放式数控机床系统层级体系以及其换刀功能部件

基于开放式数控机床的智能换刀系统设计而成的具备决策能力、感知能力以及控制功能的智能化开放式数控系统，是基于五层理论信息物理系统，所实现的智能化机床节点信息物理系统。同时，还对数控机床加工的过程与智能化制造过程的机床状态上，进行了层级划分。在数控机床层次化运行与管理模型的构建过程中，将数控机床的加工环境、加工参数以及监测的信息、线上智能决策信息、计算结果、自修复信息与故障诊断等方面进行了有机融合，从而实现数控机床系统的智能化。而利用RTX所提供的进程间通讯模式，对数控通信进行处理。因此，数控机床的运动控制动态行为，用通用层级式有限状态机模型进行表示的话，具体模型见下图表1。所以，购进出来的智能化数控系统层级架构，可以将其模块分为管理层、执行层、操作层等是3个层次，最后利用FSM对机床实现自动配置、自动调整与自动优化。

2、智能换刀系統的硬件结构

此外，基于开放式数控机床系统的硬件体系结构中，其内部安装的不同功能类型的PCI 板卡工业控制计算机主体，具体工程机构见图表2。当智能换刀系统在工作过程，板卡会通过在工控机上面的PCI卡槽和工控机记进行相连，而控制板卡接线端子会与数控机床之间相互连接，最后通过电缆线，对信号的输入与控制信号的输出进行实时采集。当智能换刀系统在工作的过程当中，可以通过上位机软件的编程实现，工控机和已经安装的板卡初始化、数据采集以及控制信号的发送。

同时，基于开放式数控机床的智能换刀系统的换刀部分功能部件，主要包括了刀库电机、ATC电机以及PCI控制板卡和PNP计数传感器等各方面相信的组件。具体见下图表3。而PCI控制板卡作为该智能换刀系统的控制部分的核心部件，当数控机床在RTX实时环境下工作时，不同的控制板卡对数控机床会分别实现数据采集功能与逻辑功能控制。

（二）智能换刀系统的硬件搭建

首先，数控机床的智能换刀系统硬件方式，是基于开放式数控机床系统的硬件体系结构，利用控制板卡伪五轴机床刀库电机、ATC电机等相关的硬件控制设备进行搭建而成的系统。同时，智能换刀系统的搭建，不仅实现了控制板卡与五轴加工中心换刀系统刀库、换刀机械手臂等各方面部件电路之间的互相连接，还在工控机内部的板卡安装后，促使外围控制电路中板卡输入、输出接线端子和加工中心的换刀控制电路继电器等多方设备之间进行了连接，从而使得智能换刀系统的硬件控制板卡和加工中心的换刀系统两者至今的护理连接得以实现。

其次，当系统中的PCI控制板卡接收选刀信号后，经过相应的运算处理之后，刀库电机就会自动驱动刀库进行旋转运动，最后，对经过计数传感器将设备中的信号反馈与控制板卡。而控制板卡的功能就是对系统的信号逻辑关系进行处理，以此来控制刀库电机的启动与停止。

二、智能换刀系统的整体控制方案

（一）智能换刀系统工作过程分析

结合开放式数控机床的换刀系统结构，和数控系统层级体系进行设计的智能换刀系统整体控制方案，在智能换刀过程中，刀库的刀具经过监测传感器对刀具数据状态进行了实时反馈。如果，当刀具在加工过程中无法满足加工的需求时，开放式数控机床系统的加工主程序就会进行智能换刀。并在切削加工过程进程挂起时，实施智能换刀系统子进程，让智能换刀系统对刀具进行智能化决策选择。最后将结果，发送到执行机构的控制程序上以此来实现换刀指令。不过具体的刀具换刀需求需要由实际情况而定。当刀具换刀完成后，主进程中断将继续实施切削加工[1]。具体过程见下图表4。

（二）系统分层控制设计方案

利用开放式数控系统层级构建的理论模型的系统分层控制设计方案具体状况如下：

1、底层硬件驱动

该部分系统控制，主要是针对微软系统中不同的硬件设备的不兼容和地址冲突问题，构建的底层硬件驱动智能换刀系统工作环境，以此来实现数控机床的工作。

2、中间层执行机构

该部分在对换刀过程运动进行控制时，实现对设备中的刀库电机转动、电磁阀动作何换刀机械手动作等方面的控制。

3、上层智能决策

该层级，通过对智能算法模型的有效融合，使得数控机床在加工过程当中，结合相应刀具的参数进行计算，并在刀库中选取可替换的刀具。

结语：

综上所述，文章简单的阐述了传统PLC控制模式下的数控机床换刀装置系统，并给出了基于开放式数控机床的智能换刀系统研究方希，同时针对其控制设计进行了理论分析，从而实现了数控机床建工过程中的智能换刀功能。

参考文献：

[1]李宏宇.基于开放式数控的智能换刀系统研究[D].黑龙江：哈尔滨理工大学，2019.