模塊式刀庫的刀具交換與控制技術*

王世鵬 解艷彩 任 清 孫 偉

(①大連理工大學機械工程學院，遼寧大連116024;②大連華根機械有限公司，遼寧大連116620)

隨著國內近年來汽車工業的發展，不僅機械產品品種和規格的更新速度不斷加快，而且要求交貨及時，以傳統的組合機床或專用機床進行大批量生產已無法滿足發展的需要，現代設計思想便應運而生。模塊化設計思想產生以來，國內外對其研究和應用均有許多進展。

進行模塊化設計，首先必須把產品劃分成若干模塊，再以模塊為基本單元進行設計。模塊必須具有可互換性、通用性和標準化的特點。因此，模塊劃分的合理性對模塊化產品的性能、外觀和模塊的通用化程度以及成本均有很大影響。模塊化是企業應對多樣性挑戰的最佳選擇。通常的模塊化設計和制造都是圍繞多樣性做文章，就是將產品的功能或結構模塊化，再由功能模塊組合產品。在機床方面的模塊化研究也在不斷地進行，為響應國家科技重大專項的號召，大連機床集團在機床模塊化方面進行了研發設計，實現了刀庫模塊化設計與控制。

1 刀庫模塊化結構簡介

如圖1和圖2所示，鏈式刀庫的模塊有4款，分別為模塊1、模塊2、模塊3和模塊4。模塊1有44個刀位，模塊2有40個刀位，模塊3有64個刀位，模塊4有60個刀位。160把刀刀庫由3個模塊2和1個模塊1組成。120把刀刀庫可以由2個模塊2和1個模塊1組成，也可以由1個模塊3和1個模塊4組成;考慮到成本的因素，采用1個模塊3和1個模塊4來組成120把刀刀庫。總之，刀庫系列有40(1個模塊2)、60(1個模塊4)、80(1個模塊1和1個模塊2)、120(1個模塊3和1個模塊4)、160(3個模塊2和1個模塊1)、180(1個模塊3和2個模塊4)和240(1個模塊3和3個模塊4)等等;刀庫刀的把數為60的倍數時采用模塊3和模塊4組合，其他用模塊1和模塊2來組合。

2 刀庫的控制技術

刀庫旋轉的起停和定位等動作是通過I/O Link軸進行控制的。該控制方法的特點是通過FANUC系統提供的POWER MATE CNC管理功能對I/O Link軸的動作進行控制，通過βi系列放大器完成驅動。該放大器通過I/O Link接口與系統相連，系統通過PLC梯形圖對該接口進行控制，從而完成對伺服電動機的控制。該軸通常用來對系統的外圍機構進行固定動作的控制，完成某種特定的運動和動作。因為經過NC處理，可以同時控制多個刀庫的起停和定位，現有的變頻器控制方式，動作必須單獨執行，不能同時執行多個動作，因此，這種利用I/O Link軸控制刀庫的方式在模塊式刀庫的運用和發展中比普通的變頻器控制方式大大節省了換刀時間，提高了工作效率，尤其是在刀庫模塊越多的情況下，這種優勢就越明顯。

在此僅以圖1所示結構的160把刀刀庫為例說明刀庫換刀過程。

2.1 模塊1——自動換刀原理

主視圖中的模塊1可以簡單地理解成是到庫內的刀具與主軸上的刀具進行交換的原理示意圖。現簡化成圖3所示。

該模塊包括刀庫1、換刀機械手、ATC門、推拉氣缸等。

換刀流程為:

(1)定義刀庫1中的1個固定空刀夾1號刀夾為倒刀位置;

(2)輸入Tn換刀指令時，經NC判斷，確定該刀所屬刀庫;

(3)通過模塊2，執行刀庫間選刀動作，將需要交換的第n把刀換到1號刀庫的刀夾1內;

(4)啟動換刀，NC發出指令旋轉刀庫1，正轉或反轉將刀夾1就近旋轉至換刀位置1;

(5)傳感器檢測到位后，通過推拉氣缸將1號刀夾內的刀具(帶刀套)Tn推至換刀位置2;

(6)同時，ATC門開，機械手旋轉90°抓刀;

(7)機械手旋轉180°，將主軸上的刀具Tm與換刀位置2的刀具Tn進行交換;

(8)機械手旋轉90°，ATC門關;

(9)推拉氣缸啟動，將刀具(帶刀套)Tm推回至1號空刀夾內;

(10)經NC判斷，Tm所屬的刀庫開始旋轉至相應的換刀位置，通過模塊2，將Tm放回Tm刀夾內。

2．2 模塊2——刀庫間換刀、選刀裝置

該模塊包括刀庫2、3、4及4個推拉氣缸。刀庫2、3、4與刀庫1之間的換刀過程是類似的。在此我們僅以刀具T150位于刀庫4為例，假設位于主軸上的刀具為T90，位于刀庫3，闡述具體的選刀過程。刀庫和推拉氣缸的位置見圖4所示。具體流程為:

(1)根據T150指令，PLC判斷出該刀屬于刀庫4;

(2)PLC發出指令，刀庫4開始旋轉，正轉或反轉將T150就近旋轉至換刀位置4;

(3)檢測到位后，推拉氣缸4將T150刀具(帶刀套)拉出至推拉軌道上位置6，由氣動滑軌將T150推至位置5;

(4)刀庫1與(2)同時動作，進行旋轉，將1號空刀夾旋轉至位置1;

(5)氣缸1將T150拉至1號刀夾內，刀庫進行旋轉，將1號刀夾旋轉至換刀位置，執行模塊1的換刀動作。此時，主軸上的刀具T90已經位于刀夾1內;

(6)旋轉刀庫1，將刀夾1旋轉至位置1，等待換刀;

(7)氣缸1將T90推出，推至位置5，檢測到位后，氣動滑軌將T90拉至位置7，等待換刀;

(8)與(5)動作的同時，NC發出指令，旋轉刀庫3，將T90的刀夾旋轉至位置3，等待換刀;

(9)最后由氣缸3動作，將T90(帶刀套)拉至T90空刀夾內;

(10)至此，模塊2的選刀換刀動作已經完成。

模塊式刀庫可實現模塊式控制方式，僅一個控制模塊就可實現刀庫的交換和控制。以160把刀刀庫為例，原理簡圖如圖5。

3 結語

模塊式刀庫的刀具交換與控制技術，換刀時間短，兩刀庫時2 s內能實現換刀;依照實際需要靈活配置刀庫數量和控制程序;將構成系統的模塊進行標準化，能方便地構成完整的系統，也可以不斷地將最新的技術應用于模塊的設計中使機床低成本及保持先進性;模塊化組織設計和生產，可提高勞動生產率和降低成本，又提高產品的質量;用戶還可以通過更換相應的模塊以較低的成本適應轉產的需要;由模塊組成，采用替換法來診斷故障，縮短機床停機時間。

［1］許石.數控加工中心雙刀庫自動換刀的控制方法與實現［J］.現代制造，2007(6):98-100.

［2］《機械設計手冊》編寫組編.機械設計手冊［M］.北京:機械工業出版社，1978.

［3］魏克新.自動化控制綜合應用技術［M］.北京:機械工業出版社，2007.