加工中心換刀裝置換刀位置的設(shè)置與高效率換刀方法的研究

樸成道，尹鳳哲

(延邊大學(xué)工程訓(xùn)練中心，吉林延吉133002)

數(shù)控加工中心是加工復(fù)雜形狀工件的高效率自動化機(jī)床，加工中心與一般數(shù)控機(jī)床最為顯著的區(qū)別是加工中心具有刀庫和自動換刀功能。加工中心在一次裝夾中，按不同的工序自動選擇和更換刀具自動完成銑、鉆、擴(kuò)、鏜、鉸、攻螺紋和內(nèi)槽加工等多工序、連續(xù)加工。因此加工中心在加工過程中可以大幅減少工件裝夾等非切削工作時間，能夠大幅提高機(jī)床的有效切削時間在機(jī)床開動時間中所占的比例。據(jù)統(tǒng)計(jì):普通機(jī)床的有效切削時間只占整個機(jī)床開動時間的15% ～20%，而加工中心的有效切削時間可達(dá)到整個機(jī)床開動時間的80%左右。加工中心在加工過程中需要設(shè)置換刀位置，并通過設(shè)置的換刀位置進(jìn)行頻繁的換刀操作。加工中心換刀裝置由刀庫、主軸、機(jī)械手三部分組成，所謂“換刀位置”是指這三者之間換刀時的相互位置。

加工中心換刀裝置組成部件之間的相互位置精度即換刀位置精度，直接影響自動換刀的準(zhǔn)確性和可靠性。加工中心在實(shí)際使用過程中經(jīng)常發(fā)生由于碰撞、定位緊固件松動等原因引起換刀位置發(fā)生變化而造成不能正常換刀、撞壞機(jī)械手等故障現(xiàn)象。換刀位置發(fā)生變化后，重新設(shè)置換刀位置且保證換刀位置的幾何精度是加工中心日常維護(hù)和維修中的重要內(nèi)容。此外，在換刀頻繁的加工中心加工過程中，換刀效率對加工中心的生產(chǎn)效率有很大的影響。文中以韓國HWACHEON 公司生產(chǎn)的立式加工中心為例，介紹立式加工中心換刀裝置換刀位置的設(shè)置方法和高效率換刀方法。此機(jī)床為典型的小型模具加工用移動橫梁式立式加工中心，配置FANUC-18iMB 數(shù)控系統(tǒng)，自帶36 把刀具的自動刀庫和機(jī)械手換刀機(jī)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 立式加工中心的外觀和結(jié)構(gòu)

1 加工中心換刀位置的設(shè)置

立式加工中心換刀裝置的換刀過程是根據(jù)加工中心數(shù)控系統(tǒng)的指令由機(jī)械手把所需的刀具從刀庫的刀套中取出并把取出的刀具裝入主軸孔的過程。數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出T 代碼指令后，其執(zhí)行換刀動作的過程如下:刀庫的回轉(zhuǎn)電機(jī)把選擇的刀具送到刀具交換位置→氣缸推動選刀的刀套向下翻轉(zhuǎn)90° (倒下)→主軸自動返回?fù)Q刀點(diǎn)，并完成主軸準(zhǔn)停→機(jī)械手通過垂直方向的上、下運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)“拔刀”動作→機(jī)械手在水平方向旋轉(zhuǎn)180°，使主軸刀具與刀庫刀具交換相互位置→分別把交換后的刀具插入主軸和刀庫的刀套實(shí)現(xiàn)“裝刀”動作→機(jī)械手回原點(diǎn)，氣缸推動刀套上翻90°，完成整個換刀過程。

由于各種原因，加工中心換刀裝置的換刀位置發(fā)生變化后，如果不及時重新設(shè)置或設(shè)置不正確，必將導(dǎo)致加工中心無法交換刀具或者刀具可能會和刀架和主軸發(fā)生碰撞而損壞刀架與主軸以及機(jī)械手。因此在加工中心的日常維修中，換刀位置的設(shè)置是值得重視的一個問題。

1.1 刀庫換刀位置的設(shè)置

加工中心的刀庫是獨(dú)立刀庫，是存放加工過程中所需刀具的裝置，取送刀具的操作都是在刀庫中的某一固定位置即刀庫的換刀位置上進(jìn)行。立式加工中心刀庫的換刀位置依靠刀套的定位片來定位。機(jī)床發(fā)生碰撞等故障時，刀套上的刀具定位片會發(fā)生松動、磨損、脫落，引起刀庫換刀位置發(fā)生變化，將導(dǎo)致刀具上的定位鍵槽無法與刀套定位片和機(jī)械手上的定位片準(zhǔn)確、可靠地定位。重新設(shè)置刀庫換刀位置的方法是:首先松開固定刀套定位片的緊固件，其次用手動的方法分別對刀套定位片與刀具定位鍵槽、刀套定位片與機(jī)械手定位片進(jìn)行反復(fù)的找正操作，使換刀位置誤差保持在0.1 mm 以內(nèi)。此外，刀套發(fā)生裂紋或刀套內(nèi)錐面及鎖緊元件的磨損都將導(dǎo)致刀具從刀套中掉下，因此經(jīng)常對刀套的外部和內(nèi)部進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)及時更換刀套，以確保換刀的可靠性，避免不必要的損失。

1.2 主軸換刀位置的設(shè)置

由于刀具裝在主軸上，主軸換刀位置的準(zhǔn)確性會直接影響機(jī)械手的抓刀和刀具的鎖緊。主軸換刀位置的設(shè)置和主軸的切削扭矩的傳遞均依靠主軸上的兩個定位鍵。加工中心換刀時，主軸定位鍵必須與刀柄上的鍵槽相吻合，才能保證把刀具順利裝入主軸孔中。為保證準(zhǔn)確、順利地?fù)Q刀，主軸必須停止在某一固定角度的方向即主軸定向。主軸定向就是使加工中心主軸的定位鍵、刀具的定位鍵槽、機(jī)械手上的定位鍵保持一定的角度，確保準(zhǔn)確、順利的換刀操作。在加工過程中發(fā)生因主軸定位不準(zhǔn)而引發(fā)刀具鎖不緊、刀具插不到主軸孔等故障時，必須通過修改主軸定位角度的方法重新設(shè)置主軸的換刀位置。具體步驟如下:

(1)用手動的方法旋轉(zhuǎn)機(jī)械手驅(qū)動電機(jī)，把機(jī)械手移動到主軸換刀位置附近。

(2)機(jī)床轉(zhuǎn)換為手動方式，主軸回?fù)Q刀位置，將機(jī)械手置于換刀位置。用手動旋轉(zhuǎn)主軸的方法，反復(fù)確認(rèn)使主軸的定位鍵定位于機(jī)械手鍵槽的中間位置。

(3)在操作面板上按【SYSTEM】 →【診斷】的順序按相應(yīng)的功能鍵，在該操作面板上查找“第一主軸位置數(shù)據(jù)”參數(shù)No:445，并記錄該參數(shù)欄目中的數(shù)值。

(4)在操作面板上按【SYSTEM】 →【PARAM】的順序按相應(yīng)的功能鍵，在該操作面板上查找“位置編碼器方式定向停止位置”參數(shù)No:4031，清零該參數(shù)的數(shù)值并填寫步驟(3)中記錄的數(shù)值。

(5)讓主軸旋轉(zhuǎn)之后執(zhí)行主軸準(zhǔn)停指令，檢查主軸換刀位置是否符合精度要求。如果不符合，則重復(fù)步驟(2)— (4)重新設(shè)置主軸的換刀位置。

1.3 機(jī)械手換刀位置的設(shè)置

機(jī)械手是換刀過程中必不可少的重要部件，其功能是當(dāng)主軸上的刀具完成現(xiàn)有的切削工序之后，把已完成切削的刀具送回刀庫，同時為了連續(xù)完成下一步的切削工序，把下一步切削所需的刀具從刀庫中取出并裝入主軸。機(jī)械手的換刀位置精度直接左右換刀操作的準(zhǔn)確性和可靠性。如果在加工中心加工過程中發(fā)生機(jī)械手抓刀后鎖不緊、機(jī)械手上鎖刀塊不到位卡在刀脖等故障時，必須通過修改機(jī)械手Z 方向坐標(biāo)即機(jī)械手換刀位置高度的方法重新設(shè)置機(jī)械手的換刀位置。具體步驟為:在操作面板上按【SYSTEM 】→【PARAM】的順序按相應(yīng)的功能鍵，在該操作面板上查找“每個軸的網(wǎng)格位移值/參考位置位移值”參數(shù)No:1850，并反復(fù)修改該參數(shù)欄目數(shù)值進(jìn)行機(jī)械手換刀位置的找正操作，直至滿足換刀精度要求。

此外，機(jī)械手上的兩個定位鍵的松動和磨損直接影響刀具定位鍵槽與之準(zhǔn)確定位，導(dǎo)致?lián)Q刀時無法將刀具準(zhǔn)確地安裝在主軸和刀套上，甚至還會發(fā)生刀具從主軸上或刀庫的刀套中掉落的事故。因此要經(jīng)常檢查、更換、機(jī)械手的緊固定位鍵。

雖然刀庫、主軸、機(jī)械手的換刀位置均可以單獨(dú)調(diào)整，但必須保證三者的中心位置在同條直線上。

2 高效率換刀方法

數(shù)控加工的發(fā)展趨勢是高效率化，加工中心換刀效率是影響數(shù)控加工高效率化的重要因素。加工中心使用M 代碼進(jìn)行換刀，執(zhí)行換刀之前，應(yīng)滿足機(jī)床換刀位置復(fù)位、關(guān)閉冷卻切削液、主軸停止和準(zhǔn)停等必要的換刀條件。換刀條件也是換刀程序不可或缺的部分，滿足換刀條件需要多個程序段。為了提高加工中心的換刀效率，利用FANUC 用戶宏程序設(shè)計(jì)加工中心的自動換刀程序。

2.1 自動換刀子程序

移動橫梁式立式加工中心的換刀程序應(yīng)包括下列內(nèi)容:(1)關(guān)閉冷卻切削液;(2)取消固定循環(huán)模式;(3)取消刀具半徑偏置; (4)主軸停止轉(zhuǎn)動;(5)主軸返回機(jī)床Z 軸參考位置原點(diǎn);(6)主軸返回機(jī)床X 軸第二參考位置的原點(diǎn);(7)進(jìn)行換刀操作;(8)取消刀具長度偏置;(9)從參考點(diǎn)返回X軸原點(diǎn)。加工中心多刀加工時，每次編寫的自動換刀程序內(nèi)容都一樣，因此把每次重復(fù)的自動換刀程序可以編寫成換刀子程序，通過宏程序M 代碼調(diào)用功能調(diào)用該換刀子程序。加工中心自動換刀子程序O9020如下:

2.2 子程序的調(diào)用

通過宏程序M 代碼調(diào)用功能調(diào)用O9020 自動換刀子程序，從而實(shí)現(xiàn)M106 高效率換刀功能。具體方法為:給調(diào)用自動換刀子程序O9020 用戶宏程序的M 代碼參數(shù)No:6080 中輸入數(shù)字106，即可用M106調(diào)用換刀子程序O9020，實(shí)現(xiàn)高效率換刀功能。

主程序格式:M106 Tx;

其中:M106 表示自動換刀用宏程序M 調(diào)用;Tx 為刀具號。

利用上述換刀子程序的換刀方法，可使加工中心多刀加工程序的編程變得簡潔、方便，并且增強(qiáng)了程序的安全性。

3 結(jié)束語

加工中心的換刀動作是依靠機(jī)械手將刀庫與主軸上的刀具進(jìn)行交換的方式完成。加工中心在使用過程中由于各種原因引起換刀位置的改變之后，能夠迅速、準(zhǔn)確地設(shè)置換刀位置是相當(dāng)重要。加工中心換刀方法的選擇直接影響加工程序的編程效率、安全性以及機(jī)床的加工效率。通過實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場的試用，加工中心換刀位置的設(shè)置方法和基于子程序的加工中心高效率自動換刀方法，對提高加工中心加工精度和加工效率的研究與實(shí)現(xiàn)方法具有實(shí)用價值，值得推廣。

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