加工中心自動(dòng)換刀系統(tǒng)組合式換刀控制方式的研究

施蘇俊，嚴(yán) 帥

（南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通226010）

立式加工中心配置的自動(dòng)換刀系統(tǒng)能夠通過加工程序選擇機(jī)床主軸當(dāng)前使用的刀具，進(jìn)而在工件一次安裝的過程中通過改變主軸當(dāng)前刀具，自動(dòng)完成包括銑削、鏜削、鉆、擴(kuò)、鉸、攻絲在內(nèi)的多工序加工內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)工序集中?；诖耍詣?dòng)換刀裝置成為數(shù)控加工中心區(qū)別于普通數(shù)控銑床的關(guān)鍵標(biāo)志，是提高機(jī)械加工生產(chǎn)率的關(guān)鍵部件。在工序較長(zhǎng)、所需刀具較多的復(fù)合加工中，加工中心換刀時(shí)間是工序時(shí)間的重要組成部分，因此，研究加工中心換刀系統(tǒng)的換刀方式，保證加工中心換刀的準(zhǔn)確性和快速性，對(duì)于提高加工中心的加工效率和生產(chǎn)的穩(wěn)定性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 當(dāng)前自動(dòng)換刀系統(tǒng)的常用形式介紹

數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)換刀裝置簡(jiǎn)稱ATC（Automatic Tool Changer），是指能夠在待加工刀具儲(chǔ)存區(qū)域與機(jī)床主軸加工位置之間自動(dòng)完成刀具更換的裝置。ATC裝置主要由刀庫(kù)（存儲(chǔ)刀具）和機(jī)械手（執(zhí)行換刀動(dòng)作）兩大功能部件組成。刀庫(kù)的功能是存儲(chǔ)刀具，通過編號(hào)記憶每把刀具在刀庫(kù)中所處的位置，在接收到數(shù)控加工程序的換刀指令后根據(jù)指令把程序選擇的刀具移動(dòng)到換刀位置等待換刀。機(jī)械手完成刀庫(kù)中等待交換刀具與主軸當(dāng)前刀具的交換動(dòng)作。刀庫(kù)容量一般較大，通常安裝在距離主軸較遠(yuǎn)的位置，因此在換刀過程中，需要通過換刀機(jī)構(gòu)來完成主軸與刀庫(kù)之間的換刀動(dòng)作。

當(dāng)前，加工中心換刀機(jī)構(gòu)常見的換刀方式有以下幾種：

固定刀位式：是指機(jī)床使用的刀具在刀庫(kù)中有自己的固定位置（刀座），也就是說從刀庫(kù)中取出的刀具，使用后從主軸上卸下必須還回到原來的刀座。

隨機(jī)刀位式：是指還回刀庫(kù)的刀具位置不固定，刀具在刀庫(kù)中的存放位置是隨機(jī)的。

混合還刀式：刀庫(kù)中的刀座分為不同區(qū)域，某些區(qū)域內(nèi)的刀具采用隨機(jī)刀位式換刀而特指區(qū)域內(nèi)采用固定刀位式換刀。這種方式在使用大直徑刀具時(shí)采用。

對(duì)不同類型ATC裝置的性能進(jìn)行比較，得出以下結(jié)論：從換刀速度看，同步隨機(jī)刀位式換刀較快；從刀具管理角度看，固定刀位式占優(yōu)。

2 固定刀位式換刀方法的分析

采用固定刀位換刀的刀庫(kù)，每次換刀的刀座編碼與刀具號(hào)一一對(duì)應(yīng)，機(jī)床操作人員對(duì)刀庫(kù)中的刀具分布狀況一目了然，裝刀時(shí)可以根據(jù)加工程序中換刀指令代碼所指定的刀號(hào)將刀具直接裝入相應(yīng)編號(hào)的刀座中，也可以根據(jù)刀具在刀庫(kù)中的當(dāng)前位置直接編寫換刀指令。刀庫(kù)中不需要設(shè)立專門的大直徑刀具區(qū)，只要在大直徑刀具兩旁的刀座內(nèi)不裝入刀具就可以正常安全使用。固定刀位式換刀，在將主軸上卸下的原來刀具送還刀庫(kù)時(shí)，要尋找原來的刀座，刀庫(kù)必須再次旋轉(zhuǎn)定位，這就影響了還刀速度，因而這種換刀方式換刀速度較慢。其換刀過程如圖1.

圖1 斗笠式刀庫(kù)換刀流程圖

固定刀位式換刀機(jī)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：

（1）制造成本低。主要部件是刀庫(kù)體及分度盤，刀庫(kù)分度使用的是非常經(jīng)典的“馬氏槽輪機(jī)構(gòu)”，前后運(yùn)動(dòng)通過氣缸的伸出與縮回完成，上下運(yùn)動(dòng)借助加工中心Z軸動(dòng)作完成。裝配調(diào)整比較方便，維護(hù)簡(jiǎn)單。

（2）換刀時(shí)間比較長(zhǎng)。

3 隨機(jī)換刀控制方法的分析

若選用圓盤式刀庫(kù)，其機(jī)械手為雙爪機(jī)械手結(jié)構(gòu)，采用同步式換刀，機(jī)械手在一次換刀啟動(dòng)過程中同時(shí)完成舊刀具還刀入庫(kù)和新刀具從刀庫(kù)裝入主軸的過程。在機(jī)床正常加工過程中，刀庫(kù)裝刀盤可以同時(shí)完成選刀動(dòng)作而不占用加工時(shí)間，其機(jī)械手換刀過程如圖2所示。

圖2 機(jī)械手刀庫(kù)換刀流程圖

機(jī)械手圓盤刀庫(kù)換刀采用隨機(jī)地址換刀。刀套編號(hào)與刀具號(hào)不必一一對(duì)應(yīng)，而是將刀套與刀具的對(duì)應(yīng)關(guān)系記錄在刀具表中。其最大的優(yōu)點(diǎn)是換刀迅速、可靠，一次換刀時(shí)間通常在8 s以內(nèi)。

隨機(jī)換刀的換刀過程，可以分為選刀和換刀兩個(gè)步驟。選刀過程中，通過調(diào)用Txx指令，完成刀庫(kù)中的刀具搜索，找出指令刀具位置并將刀具移動(dòng)到換刀位置等待換刀。換刀過程中，機(jī)床在接收到M06換刀指令后即開始執(zhí)行自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)的換刀動(dòng)作，將目標(biāo)刀具安裝到主軸上，同時(shí)將主軸上的原刀具送入刀庫(kù)，完成刀具的交換。這種換刀過程屬于隨機(jī)換刀，控制系統(tǒng)只對(duì)刀具進(jìn)行編碼而不對(duì)刀座進(jìn)行編碼識(shí)別，刀具在刀庫(kù)中放置的實(shí)際位置是按照最短移動(dòng)路徑來確定的，是隨機(jī)的。選刀控制的PMC程序流程如圖3所示。

圖3 一般隨機(jī)選刀流程圖

由于受刀盤空間的限制，盤式刀庫(kù)在隨機(jī)換刀過程中，為防止相鄰刀具發(fā)生干涉，對(duì)刀具直徑要求有所限制，刀具直徑應(yīng)不超過100 mm.對(duì)于直徑超過100 mm的刀具（如盤刀、大刀體鏜刀等），其安裝在刀盤上將占據(jù)與之相鄰的兩個(gè)刀位，此時(shí)，這把刀具若采用隨機(jī)換刀，將與其他刀具位置發(fā)生干涉，有可能產(chǎn)生碰撞。在通常情況下，就不允許其參與隨機(jī)自動(dòng)換刀，而采用手動(dòng)將該刀具安裝在主軸上的方法，這將極大地降低加工中心的自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率。

4 組合式換刀的控制流程

綜合上述兩種換刀方式的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)出隨機(jī)換刀與固定刀位換刀相結(jié)合的換刀方式，以解決該問題。其設(shè)計(jì)思路是：將刀庫(kù)中刀具存儲(chǔ)區(qū)域劃分為兩部分。一部分用于存放正常值刀具，占據(jù)大多數(shù)刀具存儲(chǔ)空間，換刀方式仍然采用隨機(jī)換刀；另一部分少數(shù)刀具存儲(chǔ)空間用于存放大直徑刀具，換刀方式采用固定刀位換刀，刀具編碼與刀位編碼一一對(duì)應(yīng)。換刀過程中該區(qū)域刀具不允許放入其它刀位，同時(shí)，該區(qū)域刀位也不允許被其他刀具占用。其控制流程如圖4所示。

圖4 隨機(jī)選刀與固定位置選刀結(jié)合控制流程圖

當(dāng)加工程序中通過Txx指令選刀動(dòng)作后，數(shù)控系統(tǒng)通過宏程序判斷換刀方式。數(shù)控宏程序通過讀取系統(tǒng)變量，判斷程序中要求換刀的刀具應(yīng)采用何種換刀方式，標(biāo)記狀態(tài)位作為換刀宏程序的條件轉(zhuǎn)移跳步標(biāo)志，通過用戶宏程序和PMC之間的接口信號(hào)傳遞，實(shí)現(xiàn)隨機(jī)換刀與固定換刀的方式選擇。

5 實(shí)現(xiàn)組合式換刀方式的控制程序

選刀指令使用Txx調(diào)用選刀宏程序，其內(nèi)容如下：

09000

N10 #506=#10；

N20 WHILE[#504 NE 0]DO1；

N30 M39；

N40 IF[#10 GE xx]THEN#8=1；

N50 IF[#502 GE xx]THEN#9=1；

N60#11=#8+#9；

N70 M39；

N80 WHILE[#11 NE 0]DO2；

N90 WHILE[#502 NE 0]DO3；

N100 T0；

N110 WHILE[#11 EQ 0]DO4；

N120 END1；

N130 END2；

N140 END3；

N150 T[#10]；

N160 END4；

N170 M99；

其中：#506：T指令刀號(hào)寄存變量。

#504：換刀方式控制變量。0：標(biāo)準(zhǔn)刀具，隨機(jī)換刀方式。1：含大直徑刀具（暫定一把），固定位置換刀方式。

#502：主軸刀號(hào)寄存變量。

#11：使用大直徑刀具判據(jù)變量。

xx：大直徑區(qū)限制刀位號(hào)，如：16把刀庫(kù)為14，20把刀庫(kù)為18，24把刀庫(kù)為22。

換刀過程采用M06調(diào)用換刀宏程序，其內(nèi)容如下：

O9020

N10 WHILE[#506 NE#502]DO1；

N20 WHILE[#11 NE 0]DO2；

N30 WHILE[#502 NE 0]DO3；

N40 WHILE[#506 NE 0]DO4；

N50 G65 P9021；

N60 T[#506]；

N70END2；

N80END3；

N90END4；

N100 G65 P9021；

N110 #11=0；

N120 #8=0；

N130#9=0；

N140#506=0；

N150 END1；

N160 M99；

G65P9021，調(diào)用O9021號(hào)換刀宏程序，其內(nèi)容為：

O9021

N10 G91；

N20 G30 Z0； Z向回?fù)Q刀點(diǎn)（第二參考點(diǎn)）

N30 M06； 主軸定向

N40 M31； 刀套倒刀

N50 M26； 換刀機(jī)構(gòu)電機(jī)啟動(dòng)

N60 M11； 主軸松刀

N70 M26 ； 換刀電機(jī)第二次啟動(dòng)

N80 M10； 主軸刀柄夾緊

N90 M26 ； 換刀電機(jī)第三次啟動(dòng)

N100 M28； 刀套回位

N110 M99；

6 組合式換刀程序的實(shí)際應(yīng)用效果測(cè)試

為驗(yàn)證組合式換刀程序的實(shí)際應(yīng)用效果，在VMC1000立式加工中心上進(jìn)行實(shí)際換刀測(cè)試。在換刀過程中，采用宏程序判斷處理大直徑刀具，實(shí)現(xiàn)盤式刀庫(kù)根據(jù)刀具直徑選擇換刀方式的控制，即保證了少數(shù)大直徑刀具在換刀過程中的安全性，同時(shí)又兼顧了一般刀具采用隨機(jī)換刀方式的快速性。與原有換刀方式進(jìn)行對(duì)比，VMC1000立式加工中心在應(yīng)用組合式換刀程序后，對(duì)于小直徑刀具，隨機(jī)更換換刀位置，保證換刀效率；而對(duì)于直徑超出安全值的大直徑刀具，則通過固定換刀位置，有效避免了換刀過程中的干涉，如圖5所示。

圖5 VMC1000立式加工中心組合式換刀程序連續(xù)換刀實(shí)驗(yàn)

選擇10把刀具（包含1把直徑超出安全范圍的大尺寸刀具），進(jìn)行連續(xù)換刀實(shí)驗(yàn)，對(duì)組合式換刀與固定式換刀進(jìn)行換刀效率比較，在相同進(jìn)給速度且刀具更換順序不變的條件下，進(jìn)行連續(xù)10次換刀實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所列。

表1 固定式換刀與組合式換刀實(shí)驗(yàn)換刀時(shí)間比較

通過連續(xù)換刀實(shí)驗(yàn)，組合式換刀與原換刀方式比較，采用組合式換刀的立式加工中心相對(duì)于固定式換刀，單次換刀效率可提高將近40%.通過宏程序與PMC程序結(jié)合使用，使得機(jī)床的換刀過程控制更為高效、簡(jiǎn)捷、安全。該方法在VMC1000立式加工中心上通過驗(yàn)證，具有普遍的應(yīng)用價(jià)值。