模塊式刀庫的刀具交換與控制技術(shù)*

王世鵬 解艷彩 任 清 孫 偉

(①大連理工大學機械工程學院，遼寧大連116024;②大連華根機械有限公司，遼寧大連116620)

隨著國內(nèi)近年來汽車工業(yè)的發(fā)展，不僅機械產(chǎn)品品種和規(guī)格的更新速度不斷加快，而且要求交貨及時，以傳統(tǒng)的組合機床或?qū)Ｓ脵C床進行大批量生產(chǎn)已無法滿足發(fā)展的需要，現(xiàn)代設(shè)計思想便應(yīng)運而生。模塊化設(shè)計思想產(chǎn)生以來，國內(nèi)外對其研究和應(yīng)用均有許多進展。

進行模塊化設(shè)計，首先必須把產(chǎn)品劃分成若干模塊，再以模塊為基本單元進行設(shè)計。模塊必須具有可互換性、通用性和標準化的特點。因此，模塊劃分的合理性對模塊化產(chǎn)品的性能、外觀和模塊的通用化程度以及成本均有很大影響。模塊化是企業(yè)應(yīng)對多樣性挑戰(zhàn)的最佳選擇。通常的模塊化設(shè)計和制造都是圍繞多樣性做文章，就是將產(chǎn)品的功能或結(jié)構(gòu)模塊化，再由功能模塊組合產(chǎn)品。在機床方面的模塊化研究也在不斷地進行，為響應(yīng)國家科技重大專項的號召，大連機床集團在機床模塊化方面進行了研發(fā)設(shè)計，實現(xiàn)了刀庫模塊化設(shè)計與控制。

1 刀庫模塊化結(jié)構(gòu)簡介

如圖1和圖2所示，鏈式刀庫的模塊有4款，分別為模塊1、模塊2、模塊3和模塊4。模塊1有44個刀位，模塊2有40個刀位，模塊3有64個刀位，模塊4有60個刀位。160把刀刀庫由3個模塊2和1個模塊1組成。120把刀刀庫可以由2個模塊2和1個模塊1組成，也可以由1個模塊3和1個模塊4組成;考慮到成本的因素，采用1個模塊3和1個模塊4來組成120把刀刀庫。總之，刀庫系列有40(1個模塊2)、60(1個模塊4)、80(1個模塊1和1個模塊2)、120(1個模塊3和1個模塊4)、160(3個模塊2和1個模塊1)、180(1個模塊3和2個模塊4)和240(1個模塊3和3個模塊4)等等;刀庫刀的把數(shù)為60的倍數(shù)時采用模塊3和模塊4組合，其他用模塊1和模塊2來組合。

2 刀庫的控制技術(shù)

刀庫旋轉(zhuǎn)的起停和定位等動作是通過I/O Link軸進行控制的。該控制方法的特點是通過FANUC系統(tǒng)提供的POWER MATE CNC管理功能對I/O Link軸的動作進行控制，通過βi系列放大器完成驅(qū)動。該放大器通過I/O Link接口與系統(tǒng)相連，系統(tǒng)通過PLC梯形圖對該接口進行控制，從而完成對伺服電動機的控制。該軸通常用來對系統(tǒng)的外圍機構(gòu)進行固定動作的控制，完成某種特定的運動和動作。因為經(jīng)過NC處理，可以同時控制多個刀庫的起停和定位，現(xiàn)有的變頻器控制方式，動作必須單獨執(zhí)行，不能同時執(zhí)行多個動作，因此，這種利用I/O Link軸控制刀庫的方式在模塊式刀庫的運用和發(fā)展中比普通的變頻器控制方式大大節(jié)省了換刀時間，提高了工作效率，尤其是在刀庫模塊越多的情況下，這種優(yōu)勢就越明顯。

在此僅以圖1所示結(jié)構(gòu)的160把刀刀庫為例說明刀庫換刀過程。

2.1 模塊1——自動換刀原理

主視圖中的模塊1可以簡單地理解成是到庫內(nèi)的刀具與主軸上的刀具進行交換的原理示意圖?，F(xiàn)簡化成圖3所示。

該模塊包括刀庫1、換刀機械手、ATC門、推拉氣缸等。

換刀流程為:

(1)定義刀庫1中的1個固定空刀夾1號刀夾為倒刀位置;

(2)輸入Tn換刀指令時，經(jīng)NC判斷，確定該刀所屬刀庫;

(3)通過模塊2，執(zhí)行刀庫間選刀動作，將需要交換的第n把刀換到1號刀庫的刀夾1內(nèi);

(4)啟動換刀，NC發(fā)出指令旋轉(zhuǎn)刀庫1，正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)將刀夾1就近旋轉(zhuǎn)至換刀位置1;

(5)傳感器檢測到位后，通過推拉氣缸將1號刀夾內(nèi)的刀具(帶刀套)Tn推至換刀位置2;

(6)同時，ATC門開，機械手旋轉(zhuǎn)90°抓刀;

(7)機械手旋轉(zhuǎn)180°，將主軸上的刀具Tm與換刀位置2的刀具Tn進行交換;

(8)機械手旋轉(zhuǎn)90°，ATC門關(guān);

(9)推拉氣缸啟動，將刀具(帶刀套)Tm推回至1號空刀夾內(nèi);

(10)經(jīng)NC判斷，Tm所屬的刀庫開始旋轉(zhuǎn)至相應(yīng)的換刀位置，通過模塊2，將Tm放回Tm刀夾內(nèi)。

2．2 模塊2——刀庫間換刀、選刀裝置

該模塊包括刀庫2、3、4及4個推拉氣缸。刀庫2、3、4與刀庫1之間的換刀過程是類似的。在此我們僅以刀具T150位于刀庫4為例，假設(shè)位于主軸上的刀具為T90，位于刀庫3，闡述具體的選刀過程。刀庫和推拉氣缸的位置見圖4所示。具體流程為:

(1)根據(jù)T150指令，PLC判斷出該刀屬于刀庫4;

(2)PLC發(fā)出指令，刀庫4開始旋轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)將T150就近旋轉(zhuǎn)至換刀位置4;

(3)檢測到位后，推拉氣缸4將T150刀具(帶刀套)拉出至推拉軌道上位置6，由氣動滑軌將T150推至位置5;

(4)刀庫1與(2)同時動作，進行旋轉(zhuǎn)，將1號空刀夾旋轉(zhuǎn)至位置1;

(5)氣缸1將T150拉至1號刀夾內(nèi)，刀庫進行旋轉(zhuǎn)，將1號刀夾旋轉(zhuǎn)至換刀位置，執(zhí)行模塊1的換刀動作。此時，主軸上的刀具T90已經(jīng)位于刀夾1內(nèi);

(6)旋轉(zhuǎn)刀庫1，將刀夾1旋轉(zhuǎn)至位置1，等待換刀;

(7)氣缸1將T90推出，推至位置5，檢測到位后，氣動滑軌將T90拉至位置7，等待換刀;

(8)與(5)動作的同時，NC發(fā)出指令，旋轉(zhuǎn)刀庫3，將T90的刀夾旋轉(zhuǎn)至位置3，等待換刀;

(9)最后由氣缸3動作，將T90(帶刀套)拉至T90空刀夾內(nèi);

(10)至此，模塊2的選刀換刀動作已經(jīng)完成。

模塊式刀庫可實現(xiàn)模塊式控制方式，僅一個控制模塊就可實現(xiàn)刀庫的交換和控制。以160把刀刀庫為例，原理簡圖如圖5。

3 結(jié)語

模塊式刀庫的刀具交換與控制技術(shù)，換刀時間短，兩刀庫時2 s內(nèi)能實現(xiàn)換刀;依照實際需要靈活配置刀庫數(shù)量和控制程序;將構(gòu)成系統(tǒng)的模塊進行標準化，能方便地構(gòu)成完整的系統(tǒng)，也可以不斷地將最新的技術(shù)應(yīng)用于模塊的設(shè)計中使機床低成本及保持先進性;模塊化組織設(shè)計和生產(chǎn)，可提高勞動生產(chǎn)率和降低成本，又提高產(chǎn)品的質(zhì)量;用戶還可以通過更換相應(yīng)的模塊以較低的成本適應(yīng)轉(zhuǎn)產(chǎn)的需要;由模塊組成，采用替換法來診斷故障，縮短機床停機時間。

［1］許石.數(shù)控加工中心雙刀庫自動換刀的控制方法與實現(xiàn)［J］.現(xiàn)代制造，2007(6):98-100.

［2］《機械設(shè)計手冊》編寫組編.機械設(shè)計手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1978.

［3］魏克新.自動化控制綜合應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2007.