數控機床微小型刀庫控制系統研究

盛艷君，張黎燕

SHENG Yan-jun1, ZHANG Li-yan2

（1.新鄉職業技術學院，新鄉 453006；2.河南機電職業學院，鄭州 451191）

0 引言

隨若數控機床領域技術的不斷發展，新式的加工中心都有其自動的換刀系統，同時這種自動換刀刀庫系統發揮著越來越重要的作用。它不僅可以增加加工效率，減少產品的制造時間，而且能大幅度提高加工精度，并且可以構建柔性加工系統。其水平的飛速發展對機床的刀庫控制系統提出了全新的要求[1]：

1）多對象全面控制。實現自動換刀控制系統的機床有車床、銑床、磨床等，怎樣同時實現多對象全面控制是首先需要解決的問題。

2）全系統復雜控制。除了多對象全面控制，對于具體的對象可能還會存在不同需求，這就提高了控制系統的復雜性。

3）全周期靈活控制。在刀具管理的全生命控制周期內，需要針對不同的具體情況使用不同的方法即實現靈活的控制策略。

4）全生命可靠控制。由于系統的靈活性和復雜性的激增，使得可靠性要求成為了重中之重，高可靠性決定了高質量。

5）全面的豐富配置。不同于傳統的機床控制系統，自動刀庫控制系統要求具有豐富的配置，可以實現各種應用功能。

數控機床的自動換刀刀庫是實現復雜工序連續加工的重要裝置，其結構設計和控制系統設計是保證數控機床實現正常加工功能的關鍵環節。本文借鑒已經在機床領域成熟應用的自動換刀刀庫及控制系統，通過分析實際需求，確定符合要求的自動換刀系統總體方案。此方案具有換刀動作少，換刀時間短，換刀重復定位精度高，系統長壽命和高可靠的特點，對各行業各種機床數控改造和功能擴展提供參考和借鑒。

1 自動刀庫設計方案

自動換刀系統一般情況由刀庫、機械手和驅動裝置組成。其具體組成及功能如下。

1.1 刀庫的功能

刀庫的功能是提供刀具可存儲的空間，并且可以隨時把需要用到的刀具準確地送到需要換刀的位置，使換刀機械手可以隨時完成刀具的選擇性互換。刀具的種類有很多，例如轉塔式刀庫、盤式刀庫、鏈式刀庫、直線刀庫等，其結構設計和容刀數量要根據實際加工情況來確定。常見的刀庫如下[2]。

1.1.1 轉塔式刀庫

以磚塔頭為區分要素，轉塔式刀庫分為水平轉塔頭和垂直轉塔頭兩種。轉塔式刀庫的特點是由于受到空間的限制所有的刀具都必須固定在同一個轉塔上，同時因為沒有換刀臂，其可以使用的刀具數量有限，通常為5-9把。多應用在功能簡單的機床領域，如簡易車削中心。轉塔式刀庫的缺點是當要使用的刀具數量較多時，必須將之前所有的刀具拆除，再裝上全新的刀具，而且其過程不只是拆卸刀具，而是必須要把刀具和卡具一起拆卸，十分的復雜，費時費力。

1.1.2 盤式刀庫

以盤式刀庫中刀具沿盤面的排列方式為區分要素，分為垂直排列、徑向排列和銳角排列三種。盤式刀庫的特點是結構緊湊，功能較多，但同時缺點也顯而見，由于刀具呈單環排列狀態，其空間可重復使用率較低。如果要增加刀具的含刀數量，就必須增大刀庫的體積，與此同時，整體的轉動慣量也隨之提高，帶來的影響是選刀取刀的消耗時間增長。所以單環排列的盤式刀庫的含刀數里一般不多于30把。與單環排列對應，多環排列的刀庫其可空間重復使用率高，但是缺點是運動機構復雜，僅適用于機床空間較緊湊而刀具數量眾多的情況。綜合優化的結構是雙盤式結構，它由兩個含刀數量較小的刀庫組合而成，分布于機床主軸的兩側，特點足布局緊密，含刀數量多于單環排列刀庫，一般在中型復合加工機床上應用較多。

1.1.3 鏈式刀庫

以鏈環形式為區分要素，分為包括單環鏈和多環鏈兩種。鏈式刀庫的特點是刀庫可容刀具數量最大，所需要提供的空間可以很小，空間利用率高，一般其含刀數量為40-130把。如果要增加含刀數量，只需要增加鏈條長度就可以實現，由于不需要增加直徑和體積，所以其運動機構轉動慣量小。

1.1.4 直線式刀庫

直線式刀庫的特點是刀具呈單行排列，容刀數量少，多用于小型的數控車床。由于其刀庫不可移動，因此不需要機械手，換刀的全部過程單靠機床主軸來進行。但是由于空間和功能的限制，直線式刀庫僅適用于功能簡單的機床，如簡單的車削中心。

1.2 機械手的功能

當刀庫中儲存的刀具數量龐大，種類繁多時，需要在離主軸較近的位置設計換刀機構來克服整體移動不易的缺點，實現刀具和卡具的裝卸以及在主軸與刀庫之間的刀具的傳遞工作。其主要機構包含送刀臂、擺刀站和換刀臂，以上的所有結構組成統稱為機械手，常見的種類有以下3種：

1）單臂式：其特點是有且僅有一個換刀臂及一個抓刀手。全部動作均為單臂完成，機構動作復雜，換刀過程冗長，結構簡易，主要應用于刀庫的軸線與機床主軸軸線呈90°的情況。

2）雙臂式：其特點是有且僅有一個換刀臂，但其兩端各有一個抓刀手。其動作非常復雜，動作特點是機械手同時抓取機床電主軸和所需要替換的刀具，之后同時旋轉半周，完成交并工作。其全程運動時間較短，應用較為廣泛，主要應用于刀庫的軸線與機床主軸軸線呈0°的情況。其缺點是結構非常復雜。

3）復雜式：其特點是結構極其復雜，行程很短。主要結構由送刀臂、擺刀站和換刀臂組成。首先由送刀臂負責將刀具從刀庫中取出然后傳遞到擺刀站，之后擺刀站負責將刀具傳遞到需要動作的位置，換刀臂負責最終換刀動作實現。由于其結構極其復雜，各部分需要在設計的時候就必須精確布局。但是優點也顯而易見，即其換刀時間最短，多適用于機床體積較大，行程距離很遠的機床。

1.3 驅動裝置的功能

驅動裝置是用來實現刀庫與機械手并聯運轉的功能裝置，其主要機構包含步進電機，液壓及氣液混合機構結合凸輪組合而成。在機械手將刀庫里的新刀將主軸上的舊刀替換下來的過程中，動力提供及動作完成由驅動裝置保證，驅動裝置的種類主要有以下三種：

1）液壓裝置驅動，用接近傳感器進行檢測。其特點是傳動機構雖然多，但是影響其精度，精度較低。

2）交流異步電機驅動，結合凸輪機構進行檢測。其特點是換刀動作兩關穩定，可靠性高。

3）伺服電機驅動，采用傳感器形成閉環方式檢測，其特點是換刀速度快，傳動機構較少，與液壓裝置相比定位精度明顯提高，但是隨之其成本也相應上升。

1.4 微小型自動刀庫設計

1.4.1 卡爪設計

根據夾持方式的不同可以分為固定卡爪、單卡爪、雙卡爪、彈簧卡爪和動力卡爪等。固定卡爪是指夾持部位固定；單卡爪是指夾持一端有彈簧；雙卡爪是指夾持兩端有彈簧；活動爪是指卡爪可以張開；彈簧卡爪是指彈簧具備夾緊力；動力卡爪是指氣液混合機構提供動力。

1.4.2 刀柄選擇與設計

自動換刀刀庫的工作質量只要通過兩個因素體現：分別是換刀響應和故障響應，其影響的根源因素就是刀柄的選擇與設計。本研究采用的是ISO刀柄，其與主軸連接面的斜度為7∶24的錐面。由于市面上常用的刀柄規格很多，例如ISO標準42號、43號、45號可供選擇。除了刀柄的型號，還必須仔細核實拉緊刀柄的規格，雖然可供選擇的規格眾多，標準也遍布全世界，例如美國，加拿大，德國，韓國，但是都必須在設計階段就結合實際使用需求來進行詳細設計，定制刀柄的拉緊規格。

1.4.3 刀庫總體設計

結合以上因索，本研究決定采用兩列盤式刀庫的方案，刀具總數為40，沒有設計機械手，采用隨機直接換刀方式，機床上新刀具與被替換刀具的所有信息均存儲在PMC形成的存儲單元中[3,4]，具體設計如圖1所示。

圖1 刀庫總體設計方案

刀庫系統由接近傳感器構成閉環反饋系統，其具體運動位置通過編碼器進行坐標運算而確定。整體控制系統示意圖如圖2所示。

圖2 整體控制系統示意圖

2 自動刀庫控制系統方案

2.1 硬件接口設計

在自動刀庫控制系統方案的設計過程中，需要考慮控制系統與模塊單元之間信號實時交互實施的具體方式，根據基礎原理進行分類主要有以下3種：1）標準I/O連接接口；2）通用串口連接；3）工業BUS總線連接。根據實際情況，本研究采用的是基于標準I/O連接接口的方式，具體功能示意圖如圖3所示，所有的信息都通過標準I/O連接接口進行數據傳遞與交互[5～7]。

圖3 具體功能示意圖

2.2 軟件設計

控制系統軟件主要包括機床功能和自動換刀刀庫功能兩個模塊[8]。

2.2.1 機床功能

與常用的自動換刀刀庫的數控系統相比，機床主要功能是指編譯代碼與解析代碼兩部分工作。首先通過PMC對數控指令進行編譯，為后續的解析打基礎。與常用的自動換刀刀庫所不同，本研究系統通過合適的手段，將完成PMC后的刀具代號傳遞給選刀控制器，所以需要對編譯后的刀具代號的代碼重新進行設計。其次機床功能的第二個關鍵實現點為保證換刀動作程序的連貫性和自鎖保護性。

2.2.2 自動換刀刀庫功能

功能實現主要依靠自動換刀刀庫控制器。其主要功能如下所示：將PMC代碼編譯；完成所有控制命令；刀補動作精度高；動作速度自調節；動作路徑自動優化。所有功能的實施都內置在自動換刀刀庫控制器的軟件程序中。

2.3 輔助系統

輔助系統含有運動導軌、刀庫蓋板和刀庫定位傳感器。刀庫可以在運動導軌上自由滑動；刀庫蓋板可以防止自動換刀過程中切屑或者加工冷卻液及其他物質污染產品；刀庫定位傳感器可以實時獲得所有位置信息。自動換刀刀庫的氣動流程示意圖如圖4所示。

圖4 氣動流程示意圖

3 結論

本研究所設計的微小型自動換刀刀庫控制系統可以很好的適用于數控機床，應用廣泛。該系統不僅具備通用刀庫的基本功能，而且其控制十分精確，重復定位精度高，具有閉環反饋環節，系統可靠性高，擴展能力強。調試結果表明，本研究設計初期預計的功能全部得到了實現。

[1]許虹.可重構機床設計[J].中國機械工程, 2005, 4(7)∶588-593.

[2]王仁德.機床數控技術[M].東北大學出版社, 2004.

[3]Chen F C.Configuration synthesis of machining centers with tool change mechanisms[J].International Journal of machine Tool&Manufacture, 1999.

[4]關關.數控技術∶ 原理及控制系統[M].西南交通大學出版社, 2003.

[5]張建生.數控系統應用及開發[M].科學出版社, 2006.

[6]夏燕.數控機床電器控制[M].機械工業出版社, 2006.

[7]朱曉.數控技術[M].機械工業出版社.2006.

[8]陳方.PMC在加工中心隨機自動換刀中的應用[J].機電工程技術.2004, 33(4)∶ 69-73.