近年来,随着机械制造业的不断发展,数控加工技术得到了迅速的普及和应用,而其中带有自动换刀装置,能在一次装夹中完成铣、镗、钻、扩等多种工序的加工中心更是占据了数控机床中的主导地位。自动换刀装置(ATC)是保证加工中心多工序加工的基本条件,其主要作用在于减少加工过程中的非切削时间,提高生产效率,降低生产成本,进而提升机床乃至整个生产线的生产力。因而,加工中心自动换刀系统性能的好坏直接影响加工效率的高低。
1 刀库换刀常用控制方式
      换刀方式主要有固定换刀和随机换刀。前一种方式刀库的刀套号和刀具号始终一致;而后一种方式,刀套号和刀具号在换刀过程中不一致。
(1)固定换刀方式(无机械手,无刀具预选功能)。无论换刀次数是多少,刀套号与刀具号始终一一对应,如N号刀套中始终是N号刀。这种换刀方式换刀时间较长,适用于刀具容量较少的小型加工中心。由于无刀具预选,必须先归还旧刀再换新刀,刀库无机械手,用Z轴运动进给,换刀时间较长。
(2)随机换刀(有机械手,可实现刀具预选)。刀具号与刀套号不一一对应,系统有相应的刀具表随时记忆刀具使用情况,刀具表中刀套号是固定的,而刀具号则随刀具的交换随时更新。例如在刀具表初始化后,N号刀套中是N号刀,但只要产生刀具交换,则刀具表随之进行数据交换(需在梯形图中处理并设定相应的数据表)。此方法换刀时间短,适用于盘式、链式与箱式换刀系统。
2 圆盘式刀库控制原理
圆盘式刀库是ATC随机换刀的典型形式之一,通过凸轮机构来完成整个换刀过程。换刀的动作过程快速且准确可靠,是一种常采用的刀库形式。
在换刀控制时,通常可以将刀具交换分为两个步骤,先调用Txx指令,主要搜索刀库中的刀具,再使用M06指令完成刀具的交换,使主轴上更换新的刀具。因此,刀具交换实际上就是指搜索刀具和交换目标刀具两个动作节拍。
随机换刀只对刀具进行编码而不对刀套进行编码,刀具在刀库中的位置是随机的。理想的随机换刀控制通常包括圆盘式刀库PMC用户程序和NC宏程序(大直径选刀、换刀程序)两部分。PMC用户程序和NC宏程序共同根据T码完成搜索刀库中的刀具、进行刀具交换的整个过程。

FANUC0-iMC数控系统的NC宏程序可以通过读取、运用系统变量将宏程序中大小直径刀具交换的条件状态位作为换刀宏程序判断跳步执行的条件,通过用户宏程序和PMC之间的信号应答,非常容易地实现大小直径刀具的随机换刀与固定换刀方式选择。

3 预选刀具的自动控制刀库

刀具交换的PMC控制程序设计主要考虑搜索目标刀具在刀库上的刀套位置、刀库旋转方向(目标刀套最短路径)的判别,从而完成目标刀具的搜索,为刀具交换作准备。

所有刀具直径都不超过100mm为通常的标准状
态,采用随机换刀。个别刀具(如盘刀、大刀体镗刀)直径超过100mm,这把刀就不能参与其他小直径刀具的随机换刀工作过程(可能产生刀位干涉),对这类刀具的自动交换必然要作出特殊处理。其方法是:将刀库存储刀具的区域分为两部分,一部分为多数的正常刀具区,仍然采用随机方式换刀;另一部分为极少数的大直径刀具区域,采用固定刀位方式换刀(刀具取出、存入都是同一刀位,不允许放入刀库的其他刀位)。系统可通过宏程序T指令判断使用随机换刀方式还是使用随机换刀+固定位置换刀的混合方式。
FANUC0-iMC使用SB7类型PMC,应用数据检索指令(DSCH)完成对目标刀具所在刀套号的搜索;用回转控制指令(ROT)解决刀库旋转最短路径的判别;用比较指令(COMPB)解决大小直径刀具的判别,这样就可以比较容易简化一些复杂的判别和逻辑控制的程序。
4 刀具交换的自动控制
在刀具交换的过程中,通过对机床数据的设定可以非常容易地使轴移动到固定换刀点;可以定义不同的M辅助功能代码与PMC控制程序有机结合xx每一步换刀动作,整个换刀执行过程之间的复杂关系就十分简单明了。使用系统变量和机床参数不仅是一个非常简捷有效的方法,而且可以简化PMC控制程序设计,最终共同完成复杂的刀具交换的过程。
刀具交换结束后,用逻辑乘(MOVE)和变址修改指令(XMOV)完成刀具交换后的数据刷新。同时PMC控制程序还必须考虑一些必要的报警提示信息和必要的互锁条件,比如机械手不在原位Z轴必须锁住;刀套翻下时刀库不得旋转;主轴刀具未松开机械手不得交换等。随机换刀要杜绝发生刀具交换不正确的乱刀现象,否则会发生由于刀具选错而使加工工件报废的可能。
5 总结

随机换刀的控制过程是比较复杂的。将宏程序与PMC程序有机结合使得机床的换刀过程控制更为方便、简捷。采用宏变量的方式能灵活地设置大直径的地址区间与数量,PMC控制程序设计没有固定的模式,宏程序可以与PMC程序多种组合以实现盘式刀库随机换刀的控制。此方法已经在FANUC0-iMC数控系统的VMCL1000加工中心上调试实现。

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