徐寒冰

摘 要 自動(dòng)換刀裝置是保證加工中心多工序加工的基本條件，其主要作用在于減少加工過程中的非切削時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，減低生產(chǎn)成本。文章對(duì)中捷TH5680三坐標(biāo)數(shù)控加工中心自動(dòng)換刀裝置的改造設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的論述，介紹了自動(dòng)換刀裝置的原理、PMC控制過程和裝置的維護(hù)及應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 自動(dòng)換刀系統(tǒng)；機(jī)械手控制；故障維護(hù)

中圖分類號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）08-0144-01

近年來，隨著機(jī)械制造業(yè)的不斷發(fā)展，數(shù)控加工技術(shù)得到了迅速的普及和應(yīng)用。為了滿足現(xiàn)代化的生產(chǎn)需要，數(shù)控機(jī)床的加工效率在不斷地提高，各種類型的數(shù)控加工中心不斷出現(xiàn)。數(shù)控加工中心是從數(shù)控機(jī)床發(fā)展而來的，與數(shù)控機(jī)床的最大區(qū)別在于加工中心具有自動(dòng)交換加工刀具的能力。自動(dòng)換刀裝置是加工中心的重要組成部分，它可以幫助數(shù)控機(jī)床在加工過程中自動(dòng)完成換刀動(dòng)作，連續(xù)完成多道工序，減少了不同工序間的換刀時(shí)間。由于老式換刀裝置的控制系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)換刀錯(cuò)亂、失敗等現(xiàn)象，給加工零件的精度造成很嚴(yán)重的影響，因此需要對(duì)自動(dòng)換刀裝置進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。通過對(duì)中捷TH5680三坐標(biāo)數(shù)控加工中心加工特性及機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析研究，決定選用帶有圓盤式刀庫和換刀機(jī)械手的自動(dòng)換刀裝置。

1 自動(dòng)換刀系統(tǒng)的控制方式及基本要求

加工中心自動(dòng)換刀系統(tǒng)的控制主要分為兩部分：刀庫選刀控制和刀具交換控制。具體控制方式采用電氣和機(jī)械聯(lián)合控制，控制機(jī)械手運(yùn)動(dòng)完成刀庫刀具與主軸刀具交換動(dòng)作。刀庫旋轉(zhuǎn)采用電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，電氣檢測(cè)開關(guān)對(duì)換刀位置及刀具定位進(jìn)行檢測(cè)控制。機(jī)械手通過液壓、氣動(dòng)控制方式完成抓刀和松刀動(dòng)作。

基本要求：①刀具換刀時(shí)間短；②刀具重復(fù)定位精度高；③足夠的刀具儲(chǔ)存量；④刀庫占地面積??；⑤換刀安全可靠。

刀庫在運(yùn)行過程中如果發(fā)生停電等故障，系統(tǒng)要具備中斷點(diǎn)記憶和手動(dòng)操作恢復(fù)功能，要有完善的電機(jī)保護(hù)和報(bào)警操作提示。

2 自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)內(nèi)容

設(shè)計(jì)電氣圖紙、編制PMC控制程序、對(duì)機(jī)械部分進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)改造和調(diào)試。

3 自動(dòng)換刀動(dòng)作的控制過程

1）程序執(zhí)行選刀指令，系統(tǒng)對(duì)所選刀具位置進(jìn)行判別后，刀庫電動(dòng)機(jī)接收信號(hào)進(jìn)行正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，刀庫中刀位計(jì)數(shù)開關(guān)開始計(jì)數(shù)，當(dāng)所選刀具旋轉(zhuǎn)到換刀位置時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止旋轉(zhuǎn)，選刀定位完成。

2）倒刀信號(hào)動(dòng)作，氣動(dòng)控制使所選刀具刀杯向下翻轉(zhuǎn)90°，倒刀到位檢測(cè)開關(guān)發(fā)出信號(hào)，完成倒刀控制，交換刀具指令開始動(dòng)作。

3）執(zhí)行交換刀具指令，交換刀具指令為M06，主軸在接到指令后自動(dòng)返回?fù)Q刀點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)主軸準(zhǔn)停，然后機(jī)械手電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)機(jī)械手逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°，進(jìn)行抓刀控制，當(dāng)機(jī)械手抓刀定位開關(guān)發(fā)出到位信號(hào)后，機(jī)械手電動(dòng)機(jī)停止，主軸刀具夾緊裝置松開，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，帶動(dòng)機(jī)械手向下運(yùn)行，拔出主軸刀具。

4）機(jī)械手拔刀后，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°，使主軸刀具與所選刀具位置對(duì)調(diào)。電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，機(jī)械手向上運(yùn)行，把所需刀具插入主軸錐孔中，到位后主軸自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)夾緊刀具，同時(shí)機(jī)械手將換下來的刀具插入刀庫的刀杯中。機(jī)械手完成插刀動(dòng)作后，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。

5）機(jī)械手到位檢測(cè)開關(guān)發(fā)出到位信號(hào)，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，機(jī)械手順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)60°，回到原點(diǎn)位置，電動(dòng)機(jī)停止。

6）機(jī)械手旋轉(zhuǎn)至原始位置后，其到位檢測(cè)開關(guān)發(fā)出到位信號(hào)，氣動(dòng)控制推動(dòng)刀杯向上翻轉(zhuǎn)90°，刀庫恢復(fù)正常狀態(tài)，整個(gè)自動(dòng)換刀動(dòng)作順利完成。

4 自動(dòng)換刀裝置PMC程序數(shù)據(jù)表及功能指令的編制及應(yīng)用

在系統(tǒng)PMC中專為刀庫設(shè)置一個(gè)數(shù)據(jù)表，數(shù)據(jù)表的個(gè)數(shù)為刀庫最大裝刀量加上一（主軸刀）。刀庫數(shù)據(jù)表的首地址設(shè)定為主軸的刀座號(hào)，數(shù)據(jù)表的序號(hào)與刀庫中的刀座號(hào)一一對(duì)應(yīng)，每個(gè)表中的內(nèi)容就是其相對(duì)應(yīng)的刀座中所存刀具的刀具號(hào)。當(dāng)程序執(zhí)行到選刀指令時(shí)，PMC通過數(shù)據(jù)檢索指令，把檢索到的所需刀具在刀庫中的實(shí)際位置通知給系統(tǒng)。PMC控制電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)刀庫旋轉(zhuǎn)，把所需刀具轉(zhuǎn)到機(jī)械手換刀位置，等待換刀動(dòng)作開始。

系統(tǒng)執(zhí)行換刀指令M06時(shí)，機(jī)床主軸自動(dòng)運(yùn)行到設(shè)定的換刀位置等待換刀，機(jī)械手開始執(zhí)行換刀動(dòng)作，將主軸上的刀具和刀庫中選出的刀具進(jìn)行交換。換刀動(dòng)作完成后，數(shù)據(jù)表中相對(duì)應(yīng)的地址中的刀具號(hào)也發(fā)生了交換。

主要功能指令的應(yīng)用：

COMPB指令：比較指令，用來判別新刀號(hào)是否與主軸當(dāng)前刀號(hào)相同，相同則跳出換刀程序，不相同則執(zhí)行換刀程序。

ROTB指令：旋轉(zhuǎn)控制的功能指令，主要用于回轉(zhuǎn)控制，確定刀庫的旋轉(zhuǎn)方向。

COIN指令：一致性檢測(cè)的功能指令，用來判定刀庫中選擇刀具是否轉(zhuǎn)到換刀位置，到位則刀庫電動(dòng)機(jī)立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

XMOVB指令：數(shù)據(jù)傳送指令，主要用于當(dāng)?shù)毒甙l(fā)生更換后，對(duì)應(yīng)的刀號(hào)寄存器重新賦值。

5 刀庫及機(jī)械手的常見故障及維護(hù)

5.1 刀庫維護(hù)要點(diǎn)

1）嚴(yán)禁把超長超重刀具裝入刀庫，防止換刀時(shí)掉刀或與工件等發(fā)生碰撞。

2）刀具放置在刀庫中的順序要正確，防止換錯(cuò)刀具導(dǎo)致事故發(fā)生。

3）手動(dòng)裝刀要確保到位和牢靠，并檢查刀座的緊鎖裝置是否可靠。

4）要注意保持刀具刀柄和刀套的清潔。

5.2 刀庫常見故障及維護(hù)

1）刀庫不能轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)檢查聯(lián)軸器及機(jī)械連接是否正常；刀庫轉(zhuǎn)動(dòng)不到位則檢查電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是否正常。

2）刀套不夾緊刀具，可能是調(diào)整螺釘松動(dòng)或彈簧太松，對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。

3）刀套上下不到位，可能是裝置調(diào)整不當(dāng)或加工誤差太大而造成換刀位置不正確。

5.3 機(jī)械手故障及維護(hù)

1）刀具夾不緊掉刀，可能是卡緊爪彈簧壓力過小或刀具

超重。

2）刀具夾緊后松不開，可能是松鎖的彈簧壓合過緊，卡爪縮不回，需要調(diào)松螺母。

3）刀具交換時(shí)掉刀，可能是抓刀不到位或主軸準(zhǔn)停位置漂移，需重新設(shè)定換刀點(diǎn)。

6 結(jié)論

通過對(duì)中捷TH5680三坐標(biāo)數(shù)控加工中心自動(dòng)換刀裝置的改造和調(diào)試，減少了加工過程中的換刀時(shí)間，機(jī)床加工效率有很大提高，滿足了生產(chǎn)需要。

參考文獻(xiàn)

[1]SIEMENS公司.SIEMENS系統(tǒng)的維修說明書[M].南京：2003.

[2]鄧三鵬.加工中心自動(dòng)換刀裝置故障診斷及維修[J].設(shè)備管理及維修，2009.

[3]楊錦斌，楊廷華.一種新型加工中心拉刀力數(shù)字化測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)[A].2011年“天山重工杯”全國機(jī)電企業(yè)工藝年會(huì)暨第五屆機(jī)械工業(yè)節(jié)能減排工藝技術(shù)研討會(huì)論文集[C].2011.

[4]劉建慧，顏鴻森，鄒慧君.基于功能分析的加工中心自動(dòng)換刀裝置方案設(shè)計(jì)研究[A].第十三屆全國機(jī)構(gòu)學(xué)學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C].2002.endprint