盛艷君，張黎燕

SHENG Yan-jun1, ZHANG Li-yan2

（1.新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新鄉(xiāng) 453006；2.河南機電職業(yè)學(xué)院，鄭州 451191）

0 引言

隨若數(shù)控機床領(lǐng)域技術(shù)的不斷發(fā)展，新式的加工中心都有其自動的換刀系統(tǒng)，同時這種自動換刀刀庫系統(tǒng)發(fā)揮著越來越重要的作用。它不僅可以增加加工效率，減少產(chǎn)品的制造時間，而且能大幅度提高加工精度，并且可以構(gòu)建柔性加工系統(tǒng)。其水平的飛速發(fā)展對機床的刀庫控制系統(tǒng)提出了全新的要求[1]：

1）多對象全面控制。實現(xiàn)自動換刀控制系統(tǒng)的機床有車床、銑床、磨床等，怎樣同時實現(xiàn)多對象全面控制是首先需要解決的問題。

2）全系統(tǒng)復(fù)雜控制。除了多對象全面控制，對于具體的對象可能還會存在不同需求，這就提高了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。

3）全周期靈活控制。在刀具管理的全生命控制周期內(nèi)，需要針對不同的具體情況使用不同的方法即實現(xiàn)靈活的控制策略。

4）全生命可靠控制。由于系統(tǒng)的靈活性和復(fù)雜性的激增，使得可靠性要求成為了重中之重，高可靠性決定了高質(zhì)量。

5）全面的豐富配置。不同于傳統(tǒng)的機床控制系統(tǒng)，自動刀庫控制系統(tǒng)要求具有豐富的配置，可以實現(xiàn)各種應(yīng)用功能。

數(shù)控機床的自動換刀刀庫是實現(xiàn)復(fù)雜工序連續(xù)加工的重要裝置，其結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計是保證數(shù)控機床實現(xiàn)正常加工功能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文借鑒已經(jīng)在機床領(lǐng)域成熟應(yīng)用的自動換刀刀庫及控制系統(tǒng)，通過分析實際需求，確定符合要求的自動換刀系統(tǒng)總體方案。此方案具有換刀動作少，換刀時間短，換刀重復(fù)定位精度高，系統(tǒng)長壽命和高可靠的特點，對各行業(yè)各種機床數(shù)控改造和功能擴展提供參考和借鑒。

1 自動刀庫設(shè)計方案

自動換刀系統(tǒng)一般情況由刀庫、機械手和驅(qū)動裝置組成。其具體組成及功能如下。

1.1 刀庫的功能

刀庫的功能是提供刀具可存儲的空間，并且可以隨時把需要用到的刀具準(zhǔn)確地送到需要換刀的位置，使換刀機械手可以隨時完成刀具的選擇性互換。刀具的種類有很多，例如轉(zhuǎn)塔式刀庫、盤式刀庫、鏈?zhǔn)降稁臁⒅本€刀庫等，其結(jié)構(gòu)設(shè)計和容刀數(shù)量要根據(jù)實際加工情況來確定。常見的刀庫如下[2]。

1.1.1 轉(zhuǎn)塔式刀庫

以磚塔頭為區(qū)分要素，轉(zhuǎn)塔式刀庫分為水平轉(zhuǎn)塔頭和垂直轉(zhuǎn)塔頭兩種。轉(zhuǎn)塔式刀庫的特點是由于受到空間的限制所有的刀具都必須固定在同一個轉(zhuǎn)塔上，同時因為沒有換刀臂，其可以使用的刀具數(shù)量有限，通常為5-9把。多應(yīng)用在功能簡單的機床領(lǐng)域，如簡易車削中心。轉(zhuǎn)塔式刀庫的缺點是當(dāng)要使用的刀具數(shù)量較多時，必須將之前所有的刀具拆除，再裝上全新的刀具，而且其過程不只是拆卸刀具，而是必須要把刀具和卡具一起拆卸，十分的復(fù)雜，費時費力。

1.1.2 盤式刀庫

以盤式刀庫中刀具沿盤面的排列方式為區(qū)分要素，分為垂直排列、徑向排列和銳角排列三種。盤式刀庫的特點是結(jié)構(gòu)緊湊，功能較多，但同時缺點也顯而見，由于刀具呈單環(huán)排列狀態(tài)，其空間可重復(fù)使用率較低。如果要增加刀具的含刀數(shù)量，就必須增大刀庫的體積，與此同時，整體的轉(zhuǎn)動慣量也隨之提高，帶來的影響是選刀取刀的消耗時間增長。所以單環(huán)排列的盤式刀庫的含刀數(shù)里一般不多于30把。與單環(huán)排列對應(yīng)，多環(huán)排列的刀庫其可空間重復(fù)使用率高，但是缺點是運動機構(gòu)復(fù)雜，僅適用于機床空間較緊湊而刀具數(shù)量眾多的情況。綜合優(yōu)化的結(jié)構(gòu)是雙盤式結(jié)構(gòu)，它由兩個含刀數(shù)量較小的刀庫組合而成，分布于機床主軸的兩側(cè)，特點足布局緊密，含刀數(shù)量多于單環(huán)排列刀庫，一般在中型復(fù)合加工機床上應(yīng)用較多。

1.1.3 鏈?zhǔn)降稁?/p>

以鏈環(huán)形式為區(qū)分要素，分為包括單環(huán)鏈和多環(huán)鏈兩種。鏈?zhǔn)降稁斓奶攸c是刀庫可容刀具數(shù)量最大，所需要提供的空間可以很小，空間利用率高，一般其含刀數(shù)量為40-130把。如果要增加含刀數(shù)量，只需要增加鏈條長度就可以實現(xiàn)，由于不需要增加直徑和體積，所以其運動機構(gòu)轉(zhuǎn)動慣量小。

1.1.4 直線式刀庫

直線式刀庫的特點是刀具呈單行排列，容刀數(shù)量少，多用于小型的數(shù)控車床。由于其刀庫不可移動，因此不需要機械手，換刀的全部過程單靠機床主軸來進行。但是由于空間和功能的限制，直線式刀庫僅適用于功能簡單的機床，如簡單的車削中心。

1.2 機械手的功能

當(dāng)?shù)稁熘袃Υ娴牡毒邤?shù)量龐大，種類繁多時，需要在離主軸較近的位置設(shè)計換刀機構(gòu)來克服整體移動不易的缺點，實現(xiàn)刀具和卡具的裝卸以及在主軸與刀庫之間的刀具的傳遞工作。其主要機構(gòu)包含送刀臂、擺刀站和換刀臂，以上的所有結(jié)構(gòu)組成統(tǒng)稱為機械手，常見的種類有以下3種：

1）單臂式：其特點是有且僅有一個換刀臂及一個抓刀手。全部動作均為單臂完成，機構(gòu)動作復(fù)雜，換刀過程冗長，結(jié)構(gòu)簡易，主要應(yīng)用于刀庫的軸線與機床主軸軸線呈90°的情況。

2）雙臂式：其特點是有且僅有一個換刀臂，但其兩端各有一個抓刀手。其動作非常復(fù)雜，動作特點是機械手同時抓取機床電主軸和所需要替換的刀具，之后同時旋轉(zhuǎn)半周，完成交并工作。其全程運動時間較短，應(yīng)用較為廣泛，主要應(yīng)用于刀庫的軸線與機床主軸軸線呈0°的情況。其缺點是結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。

3）復(fù)雜式：其特點是結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，行程很短。主要結(jié)構(gòu)由送刀臂、擺刀站和換刀臂組成。首先由送刀臂負(fù)責(zé)將刀具從刀庫中取出然后傳遞到擺刀站，之后擺刀站負(fù)責(zé)將刀具傳遞到需要動作的位置，換刀臂負(fù)責(zé)最終換刀動作實現(xiàn)。由于其結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，各部分需要在設(shè)計的時候就必須精確布局。但是優(yōu)點也顯而易見，即其換刀時間最短，多適用于機床體積較大，行程距離很遠(yuǎn)的機床。

1.3 驅(qū)動裝置的功能

驅(qū)動裝置是用來實現(xiàn)刀庫與機械手并聯(lián)運轉(zhuǎn)的功能裝置，其主要機構(gòu)包含步進電機，液壓及氣液混合機構(gòu)結(jié)合凸輪組合而成。在機械手將刀庫里的新刀將主軸上的舊刀替換下來的過程中，動力提供及動作完成由驅(qū)動裝置保證，驅(qū)動裝置的種類主要有以下三種：

1）液壓裝置驅(qū)動，用接近傳感器進行檢測。其特點是傳動機構(gòu)雖然多，但是影響其精度，精度較低。

2）交流異步電機驅(qū)動，結(jié)合凸輪機構(gòu)進行檢測。其特點是換刀動作兩關(guān)穩(wěn)定，可靠性高。

3）伺服電機驅(qū)動，采用傳感器形成閉環(huán)方式檢測，其特點是換刀速度快，傳動機構(gòu)較少，與液壓裝置相比定位精度明顯提高，但是隨之其成本也相應(yīng)上升。

1.4 微小型自動刀庫設(shè)計

1.4.1 卡爪設(shè)計

根據(jù)夾持方式的不同可以分為固定卡爪、單卡爪、雙卡爪、彈簧卡爪和動力卡爪等。固定卡爪是指夾持部位固定；單卡爪是指夾持一端有彈簧；雙卡爪是指夾持兩端有彈簧；活動爪是指卡爪可以張開；彈簧卡爪是指彈簧具備夾緊力；動力卡爪是指氣液混合機構(gòu)提供動力。

1.4.2 刀柄選擇與設(shè)計

自動換刀刀庫的工作質(zhì)量只要通過兩個因素體現(xiàn)：分別是換刀響應(yīng)和故障響應(yīng)，其影響的根源因素就是刀柄的選擇與設(shè)計。本研究采用的是ISO刀柄，其與主軸連接面的斜度為7∶24的錐面。由于市面上常用的刀柄規(guī)格很多，例如ISO標(biāo)準(zhǔn)42號、43號、45號可供選擇。除了刀柄的型號，還必須仔細(xì)核實拉緊刀柄的規(guī)格，雖然可供選擇的規(guī)格眾多，標(biāo)準(zhǔn)也遍布全世界，例如美國，加拿大，德國，韓國，但是都必須在設(shè)計階段就結(jié)合實際使用需求來進行詳細(xì)設(shè)計，定制刀柄的拉緊規(guī)格。

1.4.3 刀庫總體設(shè)計

結(jié)合以上因索，本研究決定采用兩列盤式刀庫的方案，刀具總數(shù)為40，沒有設(shè)計機械手，采用隨機直接換刀方式，機床上新刀具與被替換刀具的所有信息均存儲在PMC形成的存儲單元中[3,4]，具體設(shè)計如圖1所示。

圖1 刀庫總體設(shè)計方案

刀庫系統(tǒng)由接近傳感器構(gòu)成閉環(huán)反饋系統(tǒng)，其具體運動位置通過編碼器進行坐標(biāo)運算而確定。整體控制系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 整體控制系統(tǒng)示意圖

2 自動刀庫控制系統(tǒng)方案

2.1 硬件接口設(shè)計

在自動刀庫控制系統(tǒng)方案的設(shè)計過程中，需要考慮控制系統(tǒng)與模塊單元之間信號實時交互實施的具體方式，根據(jù)基礎(chǔ)原理進行分類主要有以下3種：1）標(biāo)準(zhǔn)I/O連接接口；2）通用串口連接；3）工業(yè)BUS總線連接。根據(jù)實際情況，本研究采用的是基于標(biāo)準(zhǔn)I/O連接接口的方式，具體功能示意圖如圖3所示，所有的信息都通過標(biāo)準(zhǔn)I/O連接接口進行數(shù)據(jù)傳遞與交互[5～7]。

圖3 具體功能示意圖

2.2 軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件主要包括機床功能和自動換刀刀庫功能兩個模塊[8]。

2.2.1 機床功能

與常用的自動換刀刀庫的數(shù)控系統(tǒng)相比，機床主要功能是指編譯代碼與解析代碼兩部分工作。首先通過PMC對數(shù)控指令進行編譯，為后續(xù)的解析打基礎(chǔ)。與常用的自動換刀刀庫所不同，本研究系統(tǒng)通過合適的手段，將完成PMC后的刀具代號傳遞給選刀控制器，所以需要對編譯后的刀具代號的代碼重新進行設(shè)計。其次機床功能的第二個關(guān)鍵實現(xiàn)點為保證換刀動作程序的連貫性和自鎖保護性。

2.2.2 自動換刀刀庫功能

功能實現(xiàn)主要依靠自動換刀刀庫控制器。其主要功能如下所示：將PMC代碼編譯；完成所有控制命令；刀補動作精度高；動作速度自調(diào)節(jié)；動作路徑自動優(yōu)化。所有功能的實施都內(nèi)置在自動換刀刀庫控制器的軟件程序中。

2.3 輔助系統(tǒng)

輔助系統(tǒng)含有運動導(dǎo)軌、刀庫蓋板和刀庫定位傳感器。刀庫可以在運動導(dǎo)軌上自由滑動；刀庫蓋板可以防止自動換刀過程中切屑或者加工冷卻液及其他物質(zhì)污染產(chǎn)品；刀庫定位傳感器可以實時獲得所有位置信息。自動換刀刀庫的氣動流程示意圖如圖4所示。

圖4 氣動流程示意圖

3 結(jié)論

本研究所設(shè)計的微小型自動換刀刀庫控制系統(tǒng)可以很好的適用于數(shù)控機床，應(yīng)用廣泛。該系統(tǒng)不僅具備通用刀庫的基本功能，而且其控制十分精確，重復(fù)定位精度高，具有閉環(huán)反饋環(huán)節(jié)，系統(tǒng)可靠性高，擴展能力強。調(diào)試結(jié)果表明，本研究設(shè)計初期預(yù)計的功能全部得到了實現(xiàn)。

[1]許虹.可重構(gòu)機床設(shè)計[J].中國機械工程, 2005, 4(7)∶588-593.

[2]王仁德.機床數(shù)控技術(shù)[M].東北大學(xué)出版社, 2004.

[3]Chen F C.Configuration synthesis of machining centers with tool change mechanisms[J].International Journal of machine Tool&Manufacture, 1999.

[4]關(guān)關(guān).數(shù)控技術(shù)∶ 原理及控制系統(tǒng)[M].西南交通大學(xué)出版社, 2003.

[5]張建生.數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用及開發(fā)[M].科學(xué)出版社, 2006.

[6]夏燕.數(shù)控機床電器控制[M].機械工業(yè)出版社, 2006.

[7]朱曉.數(shù)控技術(shù)[M].機械工業(yè)出版社.2006.

[8]陳方.PMC在加工中心隨機自動換刀中的應(yīng)用[J].機電工程技術(shù).2004, 33(4)∶ 69-73.