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，同時又是實現(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、計算機(jī)、自動控制，精密測量、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）和主軸部件、刀具自動交換系統(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組件模塊的設(shè)計。

　　G4 1230 AJ 數(shù)控加工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)為固定龍門工作臺移動式， X 、Y 、Z 、A 共四軸四聯(lián)動。加工中心配備了自動換刀刀庫系統(tǒng)。刀庫系統(tǒng)是提供自動化加工過程中所需之儲刀、換刀需求的一種裝置。其自動換刀機(jī)構(gòu)及可以儲放多把刀具的刀庫，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。大幅縮短加工時間，降低生產(chǎn)成本，這是刀庫系統(tǒng)的最大特點。

　　加工中心刀庫采用了鏈?zhǔn)降稁?。鏈?zhǔn)降稁炀哂腥萘枯^大、占地較少以及在增加存儲刀具數(shù)目時可增加鏈條的長度而不增加鏈輪直徑等特點。基于這些優(yōu)點，鏈?zhǔn)降稁煸诩庸ぶ行膽?yīng)用非常廣泛。

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

　　刀庫特點如下：

　?。?）刀庫的容量為 32 把刀，并具有刀具測量系統(tǒng)。

　?。?）機(jī)床配備RENISHAW TS 27 R 刀具測量頭，具備刀具長度、直徑測量功能，并可檢測刀具斷裂和破損情況。

　?。?）刀庫具有的各種保護(hù)功能：

　　· 急停保護(hù)。

　　· Y 坐標(biāo)第2 限位超程保護(hù)。機(jī)床的換刀點在機(jī)床 “Y ”坐標(biāo)的工作行程外部，所以“Y ”向行程有2 個限位開關(guān)保護(hù)，1 個是工作行程的限位保護(hù)，另一個是換刀限位的保護(hù)。機(jī)床自動換刀時，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，各個坐標(biāo)自動回到加工區(qū)域中，并且PMC 自動將“Y ”向換刀限位切換為“Y ”向行程限位保護(hù)。

　　·各動作互鎖保護(hù)。機(jī)床的刀庫安裝在機(jī)床的橫梁側(cè)面，所以在刀庫的外圍安裝了防護(hù)門，以防在換刀時有人接近發(fā)生危險。防護(hù)門打開時機(jī)床自動切換到手動方式，并且不能進(jìn)行換刀操作。機(jī)床的各個換刀動作之間都有到位檢測開關(guān)，動作不到位就不能進(jìn)行下一步動作。

1 機(jī)床換刀系統(tǒng)設(shè)計

　　1.1 刀庫換刀的種類及選用

　?。?）順序換刀。按照工藝要求依次將所有的刀具插入刀庫的刀座中，順序不能錯，加工時按順序調(diào)刀，已經(jīng)使用過的刀具可以放回到原來的刀座內(nèi)，刀具號和刀座號之間的關(guān)系不會隨著刀具的交換而改變，而一直保持一一對應(yīng)關(guān)系。此種換刀方式不需要刀具識別，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，但是刀庫和刀具的利用率低。

　　（2） 隨機(jī)換刀。對刀庫中的每把刀具進(jìn)行編號，刀庫上裝有位置檢測裝置，刀庫上設(shè)有機(jī)械原點，在PMC內(nèi)部設(shè)置一個模擬刀庫的刀具表，刀具編號可任意設(shè)定，一旦設(shè)定不應(yīng)隨意改變，刀具表與實際刀庫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，刀具號和刀座號之間的關(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)床刀庫安裝在機(jī)床的橫梁側(cè)面，刀庫采用隨機(jī)換刀方式。刀庫電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)，機(jī)械手傳動機(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。

圖2換刀系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　從圖2 中可以看出機(jī)床換刀系統(tǒng)由刀庫主體和主軸2 部分組成。其中刀庫主體由刀庫和機(jī)械手2 部分組成：刀庫由刀庫電機(jī)和位置檢測開關(guān)組成，機(jī)械手由機(jī)械手電機(jī)和機(jī)械手到位檢測開關(guān)2 部分組成；主軸換刀部分由松/ 夾刀氣缸和檢測開關(guān)2 部分組成。

　　1.3 刀庫換刀方式

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

　?。?）自動換刀。

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

　?。?）半自動換刀。

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

　?。?）手動換刀。

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

2 換刀系統(tǒng)的控制

　　在換刀控制時，通?？梢詫⒌毒呓粨Q分為2 個步驟，一是完成搜索刀庫中的目標(biāo)刀具，二是刀具交換的具體動作。刀庫刀具交換的PMC 控制程序設(shè)計主要考慮搜索目標(biāo)刀具在刀庫上的刀套位置，刀庫旋轉(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。

　　2.1 刀庫隨機(jī)換刀時序

　?。?）因為刀具號和刀座號之間是隨機(jī)安裝的，因此當(dāng)程序的目標(biāo)刀號發(fā)出后，首先要根據(jù)數(shù)據(jù)表所記錄的刀具號和刀座號的對應(yīng)關(guān)系檢索出對應(yīng)的刀座號。

　?。?）根據(jù)目標(biāo)刀座號和當(dāng)前位的刀座號計算出旋轉(zhuǎn)步數(shù)和旋轉(zhuǎn)方向驅(qū)動刀庫電機(jī)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)前位和目標(biāo)位一致后停止刀庫電機(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和當(dāng)前位的刀號，完成整個換刀時序。

　　2.2 隨機(jī)換刀的PMC 處理

　　首先根據(jù)刀庫的排刀情況建立刀具數(shù)據(jù)表，F(xiàn)anuc0i MC 數(shù)控系統(tǒng)沒有刀具表，刀具表是借用PMC 中的數(shù)據(jù)表。

　  2.2.1 根據(jù)T指令檢索目標(biāo)刀所在的刀座號　

　　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；檢索結(jié)果= 目標(biāo)刀座號；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)前位刀座號和目標(biāo)刀座號計算出旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)步數(shù)

　　刀庫在機(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)會提示操作者，并且刀庫不運(yùn)動。當(dāng)有換刀指令時，系統(tǒng)會根據(jù)當(dāng)前位刀座號和目標(biāo)刀座號計算出最短的旋轉(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，然后更新主軸上刀具的刀號，并且把更新后的數(shù)值寫入刀具數(shù)據(jù)表中。更新前后的刀具數(shù)據(jù)表的比較。 

3 結(jié)束語　　加工中心的商品化，改變了傳統(tǒng)的專業(yè)生產(chǎn)方式，對于一次裝夾的工件，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，從而降低生產(chǎn)成本，提高零件加工質(zhì)量。在生產(chǎn)的過程中提高生產(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。