張偉中，徐志鵬，潘潮輝，徐曉風(fēng)

（1.浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院，浙江杭州 310053；2.浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，浙江杭州 310018；3.杭州空靈智能科技有限公司，浙江杭州 310011）

0 引言

加工中心是指具備刀庫(kù)，有自動(dòng)換刀能力，對(duì)零件一次安裝后可以進(jìn)行多道工序加工的數(shù)控機(jī)床，特別適合柔性加工，已成為當(dāng)今國(guó)際機(jī)床產(chǎn)業(yè)上研究熱點(diǎn)[1-3]。與刀架和斗笠式刀庫(kù)相比，機(jī)械手刀庫(kù)刀具數(shù)量多，換刀速度快且安裝便捷[4-5]；與鏈?zhǔn)降稁?kù)相比，占用體積空間小，成為了加工中心上刀具裝置首選[6]。機(jī)械手刀庫(kù)結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，一直是加工中心制造中技術(shù)難題，吸引眾多工程技術(shù)人員和學(xué)者研究。戚洪利[7]研究了自動(dòng)換刀裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)；梁盈富[8]研究了圓盤(pán)式刀庫(kù)機(jī)械手換刀的控制程序；張繼紅[9]研究了自動(dòng)換刀機(jī)械手控制系統(tǒng)。隨著加工中心切削速度的提高，切削時(shí)間的不斷縮短，對(duì)換刀時(shí)間的要求也越來(lái)越高，換刀的速度已成為高精度加工中心的一項(xiàng)重要指標(biāo)[10]。

以企業(yè)用FANUC 立式加工中心刀庫(kù)結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)為例，研究了機(jī)械手刀庫(kù)換刀速度提升問(wèn)題，進(jìn)而提升加工效率。

1 機(jī)械手刀庫(kù)基本組成

機(jī)械手刀庫(kù)主要由刀盤(pán)、刀夾、升降氣缸、刀庫(kù)電機(jī)、機(jī)械臂、刀庫(kù)信號(hào)和刀庫(kù)計(jì)數(shù)開(kāi)關(guān)、凸輪、錐齒輪、杠桿、凸輪滾子組成。針對(duì)企業(yè)設(shè)備實(shí)際需要，本次設(shè)計(jì)一臺(tái)單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手刀庫(kù)。

2 機(jī)械手刀庫(kù)的設(shè)計(jì)要求

機(jī)械手刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)方式一般分為普通電機(jī)驅(qū)動(dòng)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液動(dòng)驅(qū)動(dòng)等，為使刀庫(kù)符合加工中心的加工需求，本次設(shè)計(jì)以普通電機(jī)為例，對(duì)刀庫(kù)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，確保刀庫(kù)運(yùn)行可行。其中，轉(zhuǎn)速為3000 r/min，配合減速器使用為200 r/min。

結(jié)合電機(jī)驅(qū)動(dòng)條件，計(jì)算出立式加工中心自動(dòng)換刀裝置轉(zhuǎn)矩T（扭矩公式:T=9550P/n），其中T=47.75 N·m，刀庫(kù)轉(zhuǎn)動(dòng)軸功率及轉(zhuǎn)速分別為200 W，600 r/min，為使設(shè)計(jì)精度得以提升，其圓柱齒輪轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)之比（nm/i1、nm/i2）中i 的取值范圍控制在3 至5 之間，本次計(jì)算取平均值4。聯(lián)軸器效率為η=0.99，η=0.995 為滾動(dòng)軸承效率，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)效率為η=0.997。經(jīng)計(jì)算各軸轉(zhuǎn)矩分別為136.14 N·m、525.58 N·m，依據(jù)公式dmin=A03 計(jì)算自動(dòng)換刀裝置軸最小直徑分別為dmin1=42.65 mm，dmin2=39.84 mm，經(jīng)計(jì)算得出齒輪重要幾何尺寸為:d1=m，z1=84 mm，d2=m，z2=268 mm，a=m/2(z1+z2)=176 mm，b=Фd，d1=58.8 mm，經(jīng)計(jì)算刀庫(kù)設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足立式數(shù)控加工中心自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)需求。

運(yùn)用三維繪圖軟件SolidWork 設(shè)計(jì)刀庫(kù)機(jī)械結(jié)構(gòu)，運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)模擬刀庫(kù)的動(dòng)作過(guò)程，為加工作準(zhǔn)備，如圖1 所示。

圖1 機(jī)械手刀庫(kù)結(jié)構(gòu)

3 機(jī)械手刀庫(kù)換刀過(guò)程

機(jī)械手臂式換刀最大的優(yōu)點(diǎn)在于可以隨機(jī)換刀還刀，無(wú)需刀套和刀號(hào)一一對(duì)應(yīng)，當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)檢測(cè)到M06 調(diào)用的宏程序和T 選到脈沖信號(hào)的時(shí)候，機(jī)械手開(kāi)始動(dòng)作。

首先主軸實(shí)現(xiàn)“主軸定位”，能準(zhǔn)確無(wú)誤的使刀具插入或拔出主軸；然后Z 軸開(kāi)始下降，下降的位置就是將要換刀的位置，也稱“換刀點(diǎn)”，這個(gè)換刀的位置，是靠參數(shù)來(lái)設(shè)置的；接下來(lái)刀庫(kù)里面的刀盤(pán)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的停止位置就是當(dāng)前所輸入的M6 TXX，他在平行于換刀點(diǎn)位置停止；然后當(dāng)前刀套倒下，再然后機(jī)械手開(kāi)始動(dòng)作；機(jī)械手的一端扣住倒下刀套的刀柄，另一端扣住主軸處的刀柄；主軸上方的氣缸開(kāi)始工作；主軸由緊刀狀態(tài)變成松刀狀態(tài)，這時(shí)的機(jī)械手繼續(xù)動(dòng)作，機(jī)械手會(huì)向下運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到一定的位置時(shí)，機(jī)械手旋轉(zhuǎn)180°，來(lái)實(shí)現(xiàn)刀具的交換。機(jī)械手臂實(shí)現(xiàn)刀臂交換之后，主軸由松刀狀態(tài)轉(zhuǎn)為緊刀狀態(tài)，這時(shí)機(jī)械手動(dòng)作回到初始狀態(tài)，換刀流程如圖2 所示。

4 宏程序使用

目前加工中心機(jī)械手刀庫(kù)有兩種類型的換刀程序的編制:一是由PMC 程序控制實(shí)現(xiàn)全部動(dòng)作；二是由PMC程序?qū)崿F(xiàn)單步動(dòng)作，而由宏程序?qū)崿F(xiàn)換刀動(dòng)作的順序部分。由于宏程序的編程簡(jiǎn)單，尤其是可以方便的進(jìn)行條件判斷，改變程序的流程，分析和調(diào)試程序也方便，所以本設(shè)計(jì)，換刀程序選用宏程序方式編制。

圖2 換刀流程

機(jī)械手刀庫(kù)的換刀分解為兩部分，第1 部分為換刀。在實(shí)際加工過(guò)程中，可先發(fā)出選刀指令完成選刀，在需要換刀的工步再行執(zhí)行換刀，這樣可以節(jié)約換刀時(shí)間。具體宏程序編制說(shuō)明如下。

其中，變量功能#1000～#1015 把16 位信號(hào)從PMC 送到用戶宏程序；變量#1000 到#1015 用于按位讀取信；#1032 號(hào)。變量#1032 用于一次讀取一個(gè)16 位信號(hào)；變量功能#1100～#1115把16 位信號(hào)從用戶宏程序送到PMC；變量#1100 到#1115 用于按位寫(xiě)信號(hào)；#1132 變量#1132 用于一次寫(xiě)一個(gè)16 位信號(hào)；變量#1133 用于從用戶宏程序一次寫(xiě)一個(gè)32 位的信號(hào)到PMC。注意:#1133 的值為從-99999999 到+99999999。

4.1 宏變量解釋

#1000（G54#0）:T 代碼檢索完成，刀旋轉(zhuǎn)結(jié)束，等待換刀

#1001（G54#1）:刀庫(kù)和主軸數(shù)據(jù)更新結(jié)束

#1002（G54#2）:T 代碼等于主軸上刀號(hào)，換刀結(jié)束

#1100（F54#0）:Z 軸回到換刀點(diǎn)（參數(shù)1241），上軸定向完成（等待刀套倒卜動(dòng)作）

#1101（F54#1）:換刀動(dòng)作結(jié)束（數(shù)據(jù)表更新等待）

#1102（F54#2）:換刀機(jī)構(gòu)動(dòng)作完成

#1103（F54#3）:換刀開(kāi)始標(biāo)志位

4.2 M 代碼含義

M06:呼叫O9001 號(hào)換刀子程序

M19:主軸準(zhǔn)停

M41:主軸刀具松開(kāi)

M42:主軸刀具夾緊

M43:刀套下（倒刀）

M44:刀套上（回刀）

M45:換刀馬達(dá)第一次啟動(dòng)（扣刀）

M46:換刀馬達(dá)第二次啟動(dòng)（拔刀插刀）

M47:換刀馬達(dá)第三次啟動(dòng)（回零）根據(jù)具體

4.3 宏程序代碼

O9001;

N1 #1103=0 換刀開(kāi)始標(biāo)志

N2 IF［#1002EQ1］GOTO19 T與主軸刀號(hào)

N3 G91G30P2Z0 回第二參考點(diǎn)

N4 M19 主軸定向

N5 #1100=1 換刀位置，定向完成，置位

N6 IF［#1000EQ1］GOTO8 檢索完跳到N8

N7 GOT O4 檢索未完成跳到N4

N8 M43 刀套倒下

N9 M45 扣刀

N10 M41 主軸松刀

N11 M46 拔刀插刀

N12 M42 主軸刀具卡緊

N13 M47 刀臂回原位

N14 #1102=1 換刀完成標(biāo)志1

N15 M44 刀套上命令

N16 #1101=1 數(shù)據(jù)表交換指令，數(shù)據(jù)交換

N17 IF［#1001EQ1］GOTO 19 數(shù)據(jù)交換結(jié)束，跳到N19

N18 GOTO 15 數(shù)據(jù)交換未完成跳到N15

N19 #1100=0 恢復(fù)標(biāo)志位初始化狀態(tài)

N20 #1101=0

N21 #1102=0

N22 #1103=1

N23 M99

5 PMC 程序設(shè)計(jì)與調(diào)試

5.1 主要程序說(shuō)明

采用FANUC 0i-MD 數(shù)控系統(tǒng)，進(jìn)行PMC 程序編制。主要程序功能指令說(shuō)明如下:

當(dāng)在MDI 或者自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，輸入M06 TXX，T 指令執(zhí)行，在PMC 程序中F7.3 發(fā)出選通脈沖信號(hào)，如圖3 所示。

當(dāng)T 發(fā)出脈沖信號(hào)時(shí)，開(kāi)始在PMC 程序中進(jìn)行檢索刀號(hào)，如圖4 所示。

當(dāng)檢索到所選刀號(hào)的時(shí)候，通過(guò)計(jì)數(shù)器來(lái)判斷，如圖5所示。

刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，刀庫(kù)計(jì)數(shù)器也在一直運(yùn)行，當(dāng)ROTB 指令在尋找刀號(hào)時(shí)，計(jì)數(shù)器在一直判斷，直到所選刀號(hào)等于當(dāng)前刀號(hào)，如圖6 所示。

圖3 T 脈沖信號(hào)

圖4 T 數(shù)據(jù)檢索

圖5 計(jì)數(shù)器

圖6 ROTB 選刀指令

5.2 調(diào)試說(shuō)明

加工中心機(jī)械手刀庫(kù)機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣安裝完成后，進(jìn)行PMC 程序調(diào)試。在運(yùn)行調(diào)試機(jī)械手刀庫(kù)之前，需要先設(shè)置好數(shù)控機(jī)床的參考點(diǎn)，以及第二參考點(diǎn)（即換刀點(diǎn)），換刀點(diǎn)需要手動(dòng)調(diào)試。當(dāng)調(diào)整好換刀點(diǎn)后，空刀情況下模擬有刀運(yùn)行，當(dāng)確保無(wú)誤之后，進(jìn)行正常換刀。

6 結(jié)束語(yǔ)

（1）設(shè)計(jì)一款適用于加工中心機(jī)械手刀庫(kù)，并設(shè)計(jì)制作三維模擬動(dòng)畫(huà)的結(jié)構(gòu)圖，在分析研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)改進(jìn)機(jī)械手刀庫(kù)的換刀流程。

（2）設(shè)計(jì)加工中心機(jī)械手刀庫(kù)PMC 程序，并在設(shè)備上安裝調(diào)試運(yùn)行正常。該加工中心改造后經(jīng)企業(yè)使用半年，實(shí)踐表明系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，可靠性高；機(jī)械手刀庫(kù)控制系統(tǒng)的改進(jìn)提高加工效率，提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，為其他同類加工中心機(jī)械手刀庫(kù)設(shè)計(jì)提供參考案例。