基于軟件和參數的鉆攻中心刀庫性能優化

劉 江 賴立迅

(①常州機電職業技術學院，江蘇常州213164;②常州創勝特爾數控機床設備有限公司，江蘇常州213164)

鉆攻中心憑借其高速、高精度的加工特點，備受市場青睞，是蘋果、三星等3C產品零件制造的關鍵設備。為了提高我國制造裝備技術水平，從“中國制造”向“中國創造”轉變，常州機電職業技術學院與常州創勝特爾數控機床設備有限公司“校中廠”共同研制ZH540B鉆攻中心，通過系列攻關，解決了鉆攻中心的關鍵技術問題，并廣泛用于企業生產。從系統研究鉆攻中心的刀庫控制技術，提出了影響品質的解決方法。

TOM-ZH540B鉆攻中心采用FANUC-0IMATED數控系統，德大BT30 16T輻射式刀庫，采用提高換刀速度，減少換刀時間，降低換刀過程中的噪聲，提高了鉆攻中心控制技術水平，從而進一步提升了鉆攻中心品質。

1 提高換刀速度

1.1 改變刀庫電動機輸入頻率

本機床刀庫旋轉采用臺達VFD004EL43A(400 W)變頻器，控制CM09RA150TJT-UB刀庫電動機。根據電動機轉速控制原理n=60f/p(其中f為電源頻率，P為電動機極對數)可知，通過提高電源輸入頻率，提高電動機轉速，從而提高刀庫的整體換刀速度。根據刀庫信號跟蹤測試，刀庫電動機輸入頻率為分別50 Hz、60 Hz、70 Hz時，連續換16把刀具所用時間見表1。

刀庫電動機輸入頻率為50 Hz，相鄰刀套轉動用時0.4 s，換16把刀具，刀庫旋轉用時為6.4 s。刀庫電動機輸入頻率調整為60 Hz后，理論應該減少1.1 s;調整為70 Hz后，理論應該減少1.8 s。與實際測試數據不符，原因是使用變頻器后控制上有電動機加減速時間參數設定，而最少的加減速時間設定為0.1 s，刀庫旋轉一個刀位總時間為0.4 s，處于加減速過程中的時間就達到0.2 s，占據了刀庫旋轉時間的一半，所以電源頻率的提高對于這種測試方式影響不大。連續換16把刀測試中，每個換刀動作中，刀庫只轉動了一個刀位，使用變頻器效果不明顯。分別對裝了8把測試刀柄與刀庫沒裝刀的情況進行測試，具體情況見表2、表3。

從表2、表3看出，可以刀庫連續轉過多個刀位，電源頻率提高到60 Hz時，刀庫選刀效率提高17%左右;電源頻率提高到70 Hz時，刀庫選刀效率提高27%左右。綜合考慮換刀整個過程，換刀過程中，刀庫轉過刀位數越多，刀庫換刀效率提高越多。筆者公司刀庫為就近選刀，一次換刀，刀庫最多轉過8個刀位，即換刀效率為最高的情況。根據計算得出，整個換刀動作完成，刀庫電動機工作頻率為60 Hz時，最高提高換刀效率為10%;刀庫電動機工作頻率為70 Hz時，最高提高換刀效率為16%。

表1 不同頻率下連續換16把刀具所用時間情況

表2 刀庫上裝有8把刀柄測試情況 s

表3 刀庫沒裝刀具測試情況 s

表4 刀庫不同情況下電動機電流

刀庫電動機額定電流為0.5 A，從表4可看出，提高電動機頻率后，未超出電動機額定電流，刀庫頻繁換刀后，電動機未出現發熱情況，且刀庫換刀動作正常。但是與刀庫廠家溝通，刀庫廠家允許的刀庫電動機最大工作頻率為60 Hz，若繼續提升刀庫電動機工作頻率，換刀過程中可能出現危險。

1.2 改變換刀參數改寫方式

在換刀動作完全相同的情況下，PMC的窗口功能可改寫系統數據，按執行速度可分為低速響應指令和高速響應指令，但寫系統參數功能只有低速響應，需要數個掃描周期才可完成，且一個掃描周期只能執行一個數據寫入功能。為了改變這種情況，子程序中使用M代碼激活PMC進行參數寫入，并在程序結束時，將參數寫成原來值。如程序G10L52，設定參數輸入方式;N1601R0100010，將參數P1601#4修改為“0”，快速移動程序段不允許重疊;N2092P3R0，將參數P2092 Z軸快速移動前饋系數設為“0”;N1826P3R11000，將參數P1826 Z軸到位寬度設為“11000”;G11 L52，取消設定參數輸入方式。通過試驗直接更改完系統參數后執行換刀程序，比在換刀子程序中使用PMC的窗口功能寫參數功能少用4 s。

1.3 減少寫入參數程序段

換刀子程序中，Z軸移動使用G54.1 P48坐標系，在程序開始與結束時，都要對此坐標系的Z軸偏置進行更改，增加了子程序運行的時間。為省略對坐標系更改的時間，直接使用G53機械坐標系，子程序中使用G53進行編程。程序更改完成后，進行時間測試，發現使用G53坐標系的子程序，比使用G54.1 P48坐標系的子程序時間增加了12 s。通過查找資料，G53有快速定位方式，但開啟快速定位方式，要使用快速移動程序段間程序重疊功能，與之前的減速方式沖突。

為不在子程序中增加坐標系更改的程序段，利用第2、3、4參考點，將換刀過程中Z軸之間的移動，轉化為Z軸回參考點的運動。通過參考點參數的設定，與程序的配合，達到不使用具體坐標系來移動Z軸。更改程序之后，與之前使用G54.1 P48坐標系的程序對比，換刀時間減少了4 s。經過使用G53坐標系及回參考點方式對Z軸移動的測試，時間對比結果為，使用G54.1 P48坐標系方式，換刀時間最少。

1.4 簡化換刀子程序

通過測試，不使用G10指令對G45.1 P48坐標系進行更改，而是使用宏變量直接賦值，如程序N20#501=#7943;N30#502=#5203;且子程序中使用模態的指令，只在程序開始指定一次，之后的都簡化掉，如程序N80M19G54.1P48G64G90G00G40G49G15G21G80Z0H0。按此方式簡化換刀子程序后，測試時間比未簡化時減少2 s。

1.5 使用高速M/S/T/B接口

試驗過程中發現，M代碼的處理也會占用一部分時間，每個換刀子程序中有7個M指令，換16把刀，累加起來也是非常可觀的。

FANUC低速M/S/T/B接口首先捕捉M/S/T/B的完成信號FIN的上升(從‘0’變為‘1’)，而后在接收到完成信號的下降(從‘1’變為‘0’)后才完成動作，而高速M/S/T/B功能的不同之處在于，其只捕捉完成信號一次的變化，就算完成動作。且完成信號是分別處理，而不是M、S、T功能的完成信號都由G4.3處理。FANUC高速M/S/T/B接口，可以提高M代碼的處理速度，從而提高機床的加工效率。設置P3001#7為“1”，使用高速M/S/T/B接口功能。對PMC進行改動，實現高速處理M代碼。使用高速M代碼處理后，與未用高速M代碼相比，換刀時間減少了3 s，提高M代碼的處理速度，也就直接減少了換刀時間，提高了加工效率。

1.6 優化系統參數

通過將減速點之前的程序段打斷，換刀聲音有了很大的好轉，但要配合對系統參數進行更改，且只能在換刀過程中按照此參數執行，換刀完成之后，要將更改的參數還原，進行正常的加工。

使用G10可編程數據輸入功能，在子程序開始時，使用此功能將系統參數改為換刀過程中要求的參數，即P2092設置為“0”、P1826設置為“11000”、P1601#4設置為“0”。換刀動作完成之后，再使用此功能將參數恢復為原來的值。

經過上述各種試驗與探索，最終確定換刀子程序如下。

2 降低換刀噪聲

2.1 尋找合適的停頓點

由于刀庫導板的圓弧與直線過渡處有一定夾角，當刀庫經過此處時，導向輪會與直線面、圓弧面產生沖擊。如圖1所示，刀庫廠家建議編程是在刀庫導向輪距離夾角另一邊有0.2～0.3 mm的位置，Z軸移動速度將為零，然后再讓Z軸用G00的速度加速，從而使接觸時有小的速度，不會產生過大的沖擊，找到合適的停頓位置成為關鍵。

按刀庫廠家推薦的距離，用0.25 mm的塞尺放入導輪與導板的夾縫處，逐漸調節Z軸位置，保證Z軸向上、向下停頓處導輪與導板有0.25 mm間隙，記下Z軸的機械坐標值，分別作為Z軸向上與向下的停頓位置。設定好后進行換刀動作，當進給倍率比較低時，換刀聲音比較小，但隨著倍率的提升，換刀聲音也隨之增加。當進給倍率達到100%時，換刀聲音較大，不可用于長期生產。以0.05 mm為梯度，在設定值基礎上進行調整，再判斷換刀聲音。調整之后，聲音沒有大的改善，仍有較大的撞擊聲。使用此方法很難改善換刀噪聲，考慮使用其他方式處理。

2.2 尋找好的減速方式

通過G00程序段細化，調整系統參數，讓Z軸在特定位置以較低的速度通過，而不是直接降低移動速度。先將程序在接觸點之前3 mm打斷，再移動到接觸停頓點，再加速移動。加上程序停頓之后，換刀聲音有所好轉，但Z軸移動有明顯停頓，移動圖形如圖2所示。將Z軸參數P1826(到位寬度)從“500”加大到“5000”;P2092(先行前饋系數)從“9000”降為“0”;P1601#4設為“0”，在快速移動程序段間不進行程序重疊，對參數更改之后，換刀聲音有明顯好轉，但對換刀時間的影響不大。使用servo guide軟件對Z軸減速程序移動速度曲線進行跟蹤，并逐漸改P2092、P1826參數數值，將P2092設置為“0”、P1826設置為“11000”，打斷距離為2 mm時，得到的運行圖形最好，在程序打斷處，可以保持一個較低的速度，然后再繼續降速，如圖3所示，更改參數后換刀時間有所降低，而對于換刀過程中刀庫與導板之間接觸產生的聲音，通過程序打斷后，聲音有了明顯好轉。

3 結語

為減少鉆攻中心刀庫換刀時間，對系統參數、換刀子程序進行更改，并在保證其他參數不變的情況下，對單獨項目進行更改，做出時間統計，通過時間對比，體現出更改的效果，具體更改項目及對換刀時間的影響，如表5所示。

表5 不同項目改進成效情況

經過換刀位置、減速方式、系統參數的更改，換刀動作過程及噪聲已達到最佳狀態，按目前的測試情況，相鄰刀刀對刀換刀時間為2.4 s，刀庫旋轉時間為0.424 s/把。刀庫換刀過程平穩，滿足正常使用。

［1］北京發那科機電有限公司FANUC Series 0i-MODEL D維修說明書［Z］.

［2］北京發那科機電有限公司FANUC Series 0i-MODEL D參數說明書［Z］.

［3］北京發那科機電有限公司FANUC Series 0i-MODEL D功能說明書［Z］。