加工中心自動(dòng)換刀系統(tǒng)組合式換刀控制方式的研究
2019-6-19 來源： 南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 作者：施蘇俊 嚴(yán)帥
摘 要：在加工中心自動(dòng)換刀系統(tǒng)中，采用隨機(jī)換刀與固定刀位式換刀相結(jié)合的組合式換刀方式，結(jié)合了兩種換刀形式的優(yōu)點(diǎn)，有效地提高了加工中心換刀的效率與可靠性。
關(guān)鍵詞：加工中心；自動(dòng)換刀裝置；組合式換刀
立式加工中心配置的自動(dòng)換刀系統(tǒng)能夠通過加工程序選擇機(jī)床主軸當(dāng)前使用的刀具，進(jìn)而在工件一次安裝的過程中通過改變主軸當(dāng)前刀具，自動(dòng)完成包括銑削、鏜削、鉆、擴(kuò)、鉸、攻絲在內(nèi)的多工序加工內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)工序集中。
基于此，自動(dòng)換刀裝置成為數(shù)控加工中心區(qū)別于普通數(shù)控銑床的關(guān)鍵標(biāo)志，是提高機(jī)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(fù)合加工中，加工中心換刀時(shí)間是工序時(shí)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(zhǔn)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(shí)意義。
1 、當(dāng)前自動(dòng)換刀系統(tǒng)的常用形式介紹
數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)換刀裝置簡稱 ATC（AutomaticTool Changer），是指能夠在待加工刀具儲存區(qū)域與機(jī)床主軸加工位置之間自動(dòng)完成刀具更換的裝置。ATC裝置主要由刀庫（存儲刀具）和機(jī)械手（執(zhí)行換刀動(dòng)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(dòng)到換刀位置等待換刀。
機(jī)械手完成刀庫中等待交換刀具與主軸當(dāng)前刀具的交換動(dòng)作。刀庫容量一般較大，通常安裝在距離主軸較遠(yuǎn)的位置，因此在換刀過程中，需要通過換刀機(jī)構(gòu)來完成主軸與刀庫之間的換刀動(dòng)作。
當(dāng)前，加工中心換刀機(jī)構(gòu)常見的換刀方式有以下幾種：固定刀位式：是指機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(shí)采用。對不同類型 ATC 裝置的性能進(jìn)行比較，得出以下結(jié)論：從換刀速度看，同步隨機(jī)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(jī)床操作人員對刀庫中的刀具分布狀況一目了然，裝刀時(shí)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(dāng)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(shí)，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(jī)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：
（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(jī)構(gòu)”，前后運(yùn)動(dòng)通過氣缸的伸出與縮回完成，上下運(yùn)動(dòng)借助加工中心 Z 軸動(dòng)作完成。裝配調(diào)整比較方便，維護(hù)簡單。
（2）換刀時(shí)間比較長。
3 、隨機(jī)換刀控制方法的分析
若選用圓盤式刀庫，其機(jī)械手為雙爪機(jī)械手結(jié)構(gòu)，采用同步式換刀，機(jī)械手在一次換刀啟動(dòng)過程中同時(shí)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(jī)床正常加工過程中，刀庫裝刀盤可以同時(shí)完成選刀動(dòng)作而不占用加工時(shí)間，其機(jī)械手換刀過程如圖 2 所示。
機(jī)械手圓盤刀庫換刀采用隨機(jī)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(diǎn)是換刀迅速、可靠，一次換刀時(shí)間通常在 8 s
以內(nèi)。
隨機(jī)換刀的換刀過程，可以分為選刀和換刀兩個(gè)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(dòng)到換刀位置等待換刀。換刀過程中，機(jī)床在接收到 M06換刀指令后即開始執(zhí)行自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)的換刀動(dòng)作，將目標(biāo)刀具安裝到主軸上，同時(shí)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(jī)換刀，控制系統(tǒng)只對刀具進(jìn)行編碼而不對刀座進(jìn)行編碼識別，刀具在刀庫中放置的實(shí)際位置是按照最短移動(dòng)路徑來確定的，是隨機(jī)的。選刀控制的 PMC程序流程如圖 3
所示。
圖 3 一般隨機(jī)選刀流程圖
由于受刀盤空間的限制，盤式刀庫在隨機(jī)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(gè)刀位，此時(shí)，這把刀具若采用隨機(jī)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(jī)自動(dòng)換刀，而采用手動(dòng)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(dòng)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(diǎn)，設(shè)計(jì)出隨機(jī)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(jì)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(jī)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(shí)，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。
當(dāng)加工程序中通過 Txx 指令選刀動(dòng)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(biāo)記狀態(tài)位作為換刀宏程序的條件轉(zhuǎn)移跳步標(biāo)志，通過用戶宏程序和 PMC 之間的接口信號傳遞，實(shí)現(xiàn)隨機(jī)換刀與固定換刀的方式選擇。
5 、實(shí)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：
換刀過程采用 M06 調(diào)用換刀宏程序，其內(nèi)容如下：
6 、組合式換刀程序的實(shí)際應(yīng)用效果測試
為驗(yàn)證組合式換刀程序的實(shí)際應(yīng)用效果，在VMC1000 立式加工中心上進(jìn)行實(shí)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(shí)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(shí)又兼顧了一般刀具采用隨機(jī)換刀方式的快速性。
與原有換刀方式進(jìn)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(jī)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(shí)驗(yàn)
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(jìn)行連續(xù)換刀實(shí)驗(yàn)，對組合式換刀與固定式換刀進(jìn)行換刀效率比較，在相同進(jìn)給速度且刀具更換順序不變的條件下，進(jìn)行連續(xù) 10 次換刀實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 1 所列。
表 1 固定式換刀與組合式換刀實(shí)驗(yàn)換刀時(shí)間比較
通過連續(xù)換刀實(shí)驗(yàn)，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 程序結(jié)合使用，使得機(jī)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(yàn)證，具有普遍的應(yīng)用價(jià)值。
投稿箱：
如果您有機(jī)床行業(yè)、企業(yè)相關(guān)新聞稿件發(fā)表，或進(jìn)行資訊合作，歡迎聯(lián)系本網(wǎng)編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有機(jī)床行業(yè)、企業(yè)相關(guān)新聞稿件發(fā)表，或進(jìn)行資訊合作，歡迎聯(lián)系本網(wǎng)編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
更多相關(guān)信息
業(yè)界視點(diǎn)
| 更多
行業(yè)數(shù)據(jù)
| 更多
- 2025年5月 新能源汽車銷量情況
- 2025年5月 新能源汽車產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年5月 基本型乘用車（轎車）產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年5月 軸承出口情況
- 2025年5月 分地區(qū)金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年5月 金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年4月 新能源汽車銷量情況
- 2025年4月 新能源汽車產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年4月 基本型乘用車（轎車）產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年4月 軸承出口情況
- 2025年4月 分地區(qū)金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年4月 金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年1月 新能源汽車銷量情況
博文選萃
| 更多
- 機(jī)械加工過程圖示
- 判斷一臺加工中心精度的幾種辦法
- 中走絲線切割機(jī)床的發(fā)展趨勢
- 國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床何去何從？
- 中國的技術(shù)工人都去哪里了？
- 機(jī)械老板做了十多年，為何還是小作坊？
- 機(jī)械行業(yè)最新自殺性營銷，害人害己！不倒閉才
- 制造業(yè)大逃亡
- 智能時(shí)代，少談點(diǎn)智造，多談點(diǎn)制造
- 現(xiàn)實(shí)面前，國人沉默。制造業(yè)的騰飛，要從機(jī)床
- 一文搞懂?dāng)?shù)控車床加工刀具補(bǔ)償功能
- 車床鉆孔攻螺紋加工方法及工裝設(shè)計(jì)
- 傳統(tǒng)鉆削與螺旋銑孔加工工藝的區(qū)別