加工中心是數(shù)控機(jī)床中機(jī)電一體化高技術(shù)產(chǎn)品，同時(shí)又是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)制造技術(shù)不可缺少的工藝設(shè)備。它綜合了微電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制，精密測(cè)量、機(jī)床制造等方面技術(shù)及相關(guān)配套的最新成就，是當(dāng)代機(jī)床工業(yè)發(fā)展方向和先進(jìn)生產(chǎn)力的標(biāo)志。

　　加工中心由機(jī)床(機(jī)械部分)和控制系統(tǒng)(電氣部分)2部分組成，機(jī)床是加工中心的主體，控制系統(tǒng)是加工中心的核心。加工中心的主機(jī)通常是由三大基礎(chǔ)部件組(床身、立柱和工作臺(tái))和主軸部件、刀具自動(dòng)交換系統(tǒng)(Automatic Tool Change，ATC)及其他輔助功能部件組成。本課題主要涉及其中的刀庫(kù)組件模塊的設(shè)計(jì)。

　　G4 1230 AJ數(shù)控加T中心總體組成包括機(jī)床主體、FANUC 0i數(shù)控系統(tǒng)控制(PMC集成在其內(nèi)部)、伺服系統(tǒng)、主軸控制系統(tǒng)4部分。Fanuc 0i數(shù)控系統(tǒng)是高質(zhì)量、高性能、高集成度的小型化CNC，代表了目前常用CNC的最高水平，使用了高速串行伺服總線(用光纜連接)和串行I/O數(shù)據(jù)口，有以太網(wǎng)口。適用于小型加工中心、銑床及小型機(jī)床。該機(jī)床主要功能及組成如圖1所示。

圖1 G4 1230 AJ數(shù)控加工中心的組成

　　G4 1230 AJ四坐標(biāo)龍門加工中心的總體結(jié)構(gòu)為固定龍門工作臺(tái)移動(dòng)式，X、Y、Z、A共四軸四聯(lián)動(dòng)。加工中心配備了自動(dòng)換刀刀庫(kù)系統(tǒng)。刀庫(kù)系統(tǒng)是提供自動(dòng)化加工過(guò)程中所需之儲(chǔ)刀、換刀需求的一種裝置。其自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)及可以儲(chǔ)放多把刀具的刀庫(kù)，改變了傳統(tǒng)以人為主的生產(chǎn)方式，即由電腦程序的控制，可以完成各種不同的加工需求，如銑削、鉆孔、攻絲等。大幅縮短加工時(shí)間，降低生產(chǎn)成本。這是刀庫(kù)系統(tǒng)的最大特點(diǎn)。

　　加工中心刀庫(kù)采用了鏈?zhǔn)降稁?kù)。鏈?zhǔn)降稁?kù)具有容量較大、占地較少以及在增加存儲(chǔ)刀具數(shù)目時(shí)可增加鏈條的長(zhǎng)度而不增加鏈輪直徑等特點(diǎn)。基于這些優(yōu)點(diǎn)，鏈?zhǔn)降稁?kù)在加工中心應(yīng)用非常廣泛。

　　基于Fanuc系統(tǒng)的四軸加工中心的刀庫(kù)能完成自動(dòng)換刀。在自動(dòng)交換刀具時(shí)，應(yīng)保證交換前后刀具都處于正確的位置。刀庫(kù)換刀機(jī)構(gòu)都應(yīng)用足夠的剛度，可靠性高。換刀時(shí)間盡可能短，操作安全，且刀具管理方便。刀庫(kù)特點(diǎn)如下：

　　(1)刀庫(kù)的容量為32把刀，并具有刀具測(cè)量系統(tǒng)?！　?2)機(jī)床配備RENISHAW TS 27 R刀具測(cè)量頭，具備刀具長(zhǎng)度、直徑測(cè)量功能，并可檢測(cè)刀具斷裂和破損情況。　　(3)刀庫(kù)具有的各種保護(hù)功能：　　·急停保護(hù)?！　?amp;middot;T坐標(biāo)第2限位超程保護(hù)。機(jī)床的換刀點(diǎn)在機(jī)床“Y”坐標(biāo)的工作行程外部，所以“Y”向行程有2個(gè)限位開關(guān)保護(hù)，1個(gè)是工作行程的限位保護(hù)，另一個(gè)是換刀限位的保護(hù)。機(jī)床自動(dòng)換刀時(shí)，首先要將“Y”向行程限位切換為換刀保護(hù)限位，換刀完成時(shí)，各個(gè)坐標(biāo)自動(dòng)回到加工區(qū)域中，并且PMC自動(dòng)將“廣向換刀限位切換為“y’’向行程限位保護(hù)。　　·各動(dòng)作互鎖保護(hù)。機(jī)床的刀庫(kù)安裝在機(jī)床的橫梁側(cè)面，所以在刀庫(kù)的外圍安裝了防護(hù)門，以防在換刀時(shí)有人接近發(fā)生危險(xiǎn)。防護(hù)門打開時(shí)機(jī)床自動(dòng)切換到手動(dòng)方式，并且不能進(jìn)行換刀操作。機(jī)床的各個(gè)換刀動(dòng)作之間都有到位檢測(cè)開關(guān)，動(dòng)作不到位就不能進(jìn)行下一步動(dòng)作。

1 機(jī)床換刀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1.1 刀庫(kù)換刀的種類及選用

　　(1)順序換刀。按照工藝要求依次將所有的刀具插入刀庫(kù)的刀座中，順序不能錯(cuò)，加工時(shí)按順序調(diào)刀，已經(jīng)使用過(guò)的刀具可以放回到原來(lái)的刀座內(nèi)，刀具號(hào)和刀座號(hào)之間的關(guān)系不會(huì)隨著刀具的交換而改變，而一直保持一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。此種換刀方式不需要刀具識(shí)別，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，但是刀庫(kù)和刀具的利用率低。

　　(2)隨機(jī)換刀。對(duì)刀庫(kù)中的每把刀具進(jìn)行編號(hào)，刀庫(kù)上裝有位置檢測(cè)裝置，刀庫(kù)上設(shè)有機(jī)械原點(diǎn)，在PMC內(nèi)部設(shè)置一個(gè)模擬刀庫(kù)的刀具表，刀具編號(hào)可任意設(shè)定，一旦設(shè)定不應(yīng)隨意改變，刀具表與實(shí)際刀庫(kù)中的刀具的位置始終保持一致，此種換刀方式穩(wěn)定性、可靠性高，刀具號(hào)和刀座號(hào)之間的關(guān)系隨著刀具的交換而改變。因此，隨機(jī)換刀方式比較靈活，又可以節(jié)省換刀時(shí)間所以本機(jī)床采用了隨機(jī)換刀形式。

　　1.2 換刀系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　機(jī)床刀庫(kù)安裝在機(jī)床的橫梁側(cè)面，刀庫(kù)采用隨機(jī)換刀方式。刀庫(kù)電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)，機(jī)械手傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為凸輪機(jī)構(gòu)，機(jī)床換刀系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖2中可以看出機(jī)床換刀系統(tǒng)由刀庫(kù)主體和主軸2部分組成。其中刀庫(kù)主體由刀庫(kù)和機(jī)械手2部分組成：刀庫(kù)由刀庫(kù)電機(jī)和位置檢測(cè)開關(guān)組成，機(jī)械手由機(jī)械手電機(jī)和機(jī)械手到位檢測(cè)開關(guān)2部分組成；主軸換刀部分由松/夾刀氣缸和檢測(cè)開關(guān)2部分組成。

圖2換刀系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　1.3 刀庫(kù)換刀方式

　　本機(jī)床有3種換刀方式，即自動(dòng)換刀、半自動(dòng)換刀和手動(dòng)換刀。每種換刀方式的具體介紹如下所述：

　　(1)自動(dòng)換刀。

　　當(dāng)執(zhí)行到加工程序中的換刀指令時(shí)或是操作者在“MDI”方式下輸入換刀指令時(shí)，機(jī)床能夠自動(dòng)完成一系列的換刀動(dòng)作，刷新刀具表，并且能夠回到加工區(qū)域。

　　(2)半自動(dòng)換刀。

　　操作者把機(jī)床主軸開到換刀點(diǎn)時(shí)，執(zhí)行半自動(dòng)換刀指令，機(jī)床可以完成刀具交換動(dòng)作，并能夠自動(dòng)刷新刀具表，但是機(jī)床不能自動(dòng)回到加工區(qū)域中，需要手動(dòng)操作。

　　(3)手動(dòng)換刀。

　　機(jī)床配備手動(dòng)換刀盒，需要將機(jī)床開到換刀點(diǎn)，然后可以分步執(zhí)行換刀動(dòng)作。此方式不能自動(dòng)刷新刀具數(shù)據(jù)表。也不能自動(dòng)回到加工區(qū)域中，此種換刀方式主要用于刀庫(kù)的調(diào)試及維護(hù)。

2 換刀系統(tǒng)的控制

　　在換刀控制時(shí)，通?？梢詫⒌毒呓粨Q分為2個(gè)步驟，一是完成搜索刀庫(kù)中的目標(biāo)刀具，二是刀具交換的具體動(dòng)作。刀庫(kù)刀具交換的PMC控制程序設(shè)計(jì)主要考慮搜索目標(biāo)刀具在刀庫(kù)上的刀套位置，刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)方向(目標(biāo)刀具所在刀套的最短路徑)的判別，從而完成目標(biāo)刀具的搜索，為刀具的交換做準(zhǔn)備。機(jī)床的PMC程序通過(guò)刀庫(kù)的接口信號(hào)對(duì)其進(jìn)行換刀等一系列動(dòng)作的控制。圖3是加工中心的刀庫(kù)控制流程。

　　2.1 刀庫(kù)隨機(jī)換刀時(shí)序

　　(1)因?yàn)榈毒咛?hào)和刀座號(hào)之間是隨機(jī)安裝的，因此當(dāng)程序的目標(biāo)刀號(hào)發(fā)出后，首先要根據(jù)數(shù)據(jù)表所記錄的刀具號(hào)和刀座號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系檢索出對(duì)應(yīng)的刀座號(hào)。

　　(2)根據(jù)目標(biāo)刀座號(hào)和當(dāng)前位的刀座號(hào)計(jì)算出旋轉(zhuǎn)步數(shù)和旋轉(zhuǎn)方向驅(qū)動(dòng)刀庫(kù)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)前位和目標(biāo)位一致后停止刀庫(kù)電機(jī)，進(jìn)行主軸刀具交換。

　　(3)當(dāng)?shù)毒呓粨Q完成后，更新刀具表上的主軸刀號(hào)和當(dāng)前位的刀號(hào)，完成整個(gè)換刀時(shí)序。

　　2.2 隨機(jī)換刀的PMC處理

　　　2.2.1 根據(jù)T指令檢索目標(biāo)刀所在的刀座號(hào)

　　T指令進(jìn)行刀具檢索時(shí)的PMC程序示意如圖5所示。其中數(shù)據(jù)表容量=刀具數(shù)容量；檢索數(shù)據(jù)=目標(biāo)刀號(hào)；檢索結(jié)果=目標(biāo)刀座號(hào)；W1=0：找到檢索數(shù)據(jù)；W1=1：未找到檢索數(shù)據(jù)。

　　2.2.2 根據(jù)當(dāng)前位刀座號(hào)和目標(biāo)刀座號(hào)計(jì)算出旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)步數(shù)

　　刀庫(kù)在機(jī)床上電之后首先要進(jìn)行回零操作，若是沒有回零系統(tǒng)會(huì)提示操作者，并且刀庫(kù)不運(yùn)動(dòng)。當(dāng)有換刀指令時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)當(dāng)前位刀座號(hào)和目標(biāo)刀座號(hào)計(jì)算出最短的旋轉(zhuǎn)步數(shù)及旋轉(zhuǎn)方向。

　　2.2.3 旋轉(zhuǎn)到位并刀具交換完成后更新數(shù)據(jù)

　　PMC程序首先要更新當(dāng)前刀位的刀號(hào)，然后更新主軸上刀具的刀號(hào)，并且把更新后的數(shù)值寫入刀具數(shù)據(jù)表中。3 結(jié)束語(yǔ)

　　加工中心的商品化，改變了傳統(tǒng)的專業(yè)生產(chǎn)方式，對(duì)于一次裝夾的工件，完成銑鉆、鏜、擴(kuò)、鉸、攻絲等加工工序。在充分準(zhǔn)備好刀具輔助的條件下，加工中心就能夠充分發(fā)揮其高速高效、高精度的特點(diǎn)，從而降低生產(chǎn)成本，提高零件加工質(zhì)量。在生產(chǎn)的過(guò)程中提高生產(chǎn)率和設(shè)備使用率，縮減生產(chǎn)成本，獲取最大經(jīng)濟(jì)效益。