施蘇俊，嚴 帥

（南通航運職業(yè)技術(shù)學院，江蘇 南通226010）

立式加工中心配置的自動換刀系統(tǒng)能夠通過加工程序選擇機床主軸當前使用的刀具，進而在工件一次安裝的過程中通過改變主軸當前刀具，自動完成包括銑削、鏜削、鉆、擴、鉸、攻絲在內(nèi)的多工序加工內(nèi)容，實現(xiàn)工序集中?；诖耍詣訐Q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)鍵標志，是提高機械加工生產(chǎn)率的關(guān)鍵部件。在工序較長、所需刀具較多的復合加工中，加工中心換刀時間是工序時間的重要組成部分，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確性和快速性，對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)實意義。

1 當前自動換刀系統(tǒng)的常用形式介紹

數(shù)控機床的自動換刀裝置簡稱ATC（Automatic Tool Changer），是指能夠在待加工刀具儲存區(qū)域與機床主軸加工位置之間自動完成刀具更換的裝置。ATC裝置主要由刀庫（存儲刀具）和機械手（執(zhí)行換刀動作）兩大功能部件組成。刀庫的功能是存儲刀具，通過編號記憶每把刀具在刀庫中所處的位置，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到換刀位置等待換刀。機械手完成刀庫中等待交換刀具與主軸當前刀具的交換動作。刀庫容量一般較大，通常安裝在距離主軸較遠的位置，因此在換刀過程中，需要通過換刀機構(gòu)來完成主軸與刀庫之間的換刀動作。

當前，加工中心換刀機構(gòu)常見的換刀方式有以下幾種：

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

隨機刀位式：是指還回刀庫的刀具位置不固定，刀具在刀庫中的存放位置是隨機的。

混合還刀式：刀庫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采用。

對不同類型ATC裝置的性能進行比較，得出以下結(jié)論：從換刀速度看，同步隨機刀位式換刀較快；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，每次換刀的刀座編碼與刀具號一一對應(yīng)，機床操作人員對刀庫中的刀具分布狀況一目了然，裝刀時可以根據(jù)加工程序中換刀指令代碼所指定的刀號將刀具直接裝入相應(yīng)編號的刀座中，也可以根據(jù)刀具在刀庫中的當前位置直接編寫換刀指令。刀庫中不需要設(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時，要尋找原來的刀座，刀庫必須再次旋轉(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 斗笠式刀庫換刀流程圖

固定刀位式換刀機構(gòu)具有以下特點：

（1）制造成本低。主要部件是刀庫體及分度盤，刀庫分度使用的是非常經(jīng)典的“馬氏槽輪機構(gòu)”，前后運動通過氣缸的伸出與縮回完成，上下運動借助加工中心Z軸動作完成。裝配調(diào)整比較方便，維護簡單。

（2）換刀時間比較長。

3 隨機換刀控制方法的分析

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

圖2 機械手刀庫換刀流程圖

機械手圓盤刀庫換刀采用隨機地址換刀。刀套編號與刀具號不必一一對應(yīng)，而是將刀套與刀具的對應(yīng)關(guān)系記錄在刀具表中。其最大的優(yōu)點是換刀迅速、可靠，一次換刀時間通常在8 s以內(nèi)。

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

圖3 一般隨機選刀流程圖

由于受刀盤空間的限制，盤式刀庫在隨機換刀過程中，為防止相鄰刀具發(fā)生干涉，對刀具直徑要求有所限制，刀具直徑應(yīng)不超過100 mm.對于直徑超過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)與之相鄰的兩個刀位，此時，這把刀具若采用隨機換刀，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自動換刀，而采用手動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，設(shè)計出隨機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)計思路是：將刀庫中刀具存儲區(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)刀具存儲空間，換刀方式仍然采用隨機換刀；另一部分少數(shù)刀具存儲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應(yīng)。換刀過程中該區(qū)域刀具不允許放入其它刀位，同時，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 隨機選刀與固定位置選刀結(jié)合控制流程圖

當加工程序中通過Txx指令選刀動作后，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，標記狀態(tài)位作為換刀宏程序的條件轉(zhuǎn)移跳步標志，通過用戶宏程序和PMC之間的接口信號傳遞，實現(xiàn)隨機換刀與固定換刀的方式選擇。

5 實現(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指令刀號寄存變量。

#504：換刀方式控制變量。0：標準刀具，隨機換刀方式。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，如：16把刀庫為14，20把刀庫為18，24把刀庫為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號換刀宏程序，其內(nèi)容為：

O9021

N10 G91；

N20 G30 Z0； Z向回換刀點（第二參考點）

N30 M06； 主軸定向

N40 M31； 刀套倒刀

N50 M26； 換刀機構(gòu)電機啟動

N60 M11； 主軸松刀

N70 M26 ； 換刀電機第二次啟動

N80 M10； 主軸刀柄夾緊

N90 M26 ； 換刀電機第三次啟動

N100 M28； 刀套回位

N110 M99；

6 組合式換刀程序的實際應(yīng)用效果測試

為驗證組合式換刀程序的實際應(yīng)用效果，在VMC1000立式加工中心上進行實際換刀測試。在換刀過程中，采用宏程序判斷處理大直徑刀具，實現(xiàn)盤式刀庫根據(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，同時又兼顧了一般刀具采用隨機換刀方式的快速性。與原有換刀方式進行對比，VMC1000立式加工中心在應(yīng)用組合式換刀程序后，對于小直徑刀具，隨機更換換刀位置，保證換刀效率；而對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)換刀實驗

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

表1 固定式換刀與組合式換刀實驗換刀時間比較

通過連續(xù)換刀實驗，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，使得機床的換刀過程控制更為高效、簡捷、安全。該方法在VMC1000立式加工中心上通過驗證，具有普遍的應(yīng)用價值。