FANUC 立式加工中心機械手刀庫設(shè)計

張偉中，徐志鵬，潘潮輝，徐曉風(fēng)

（1.浙江機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動化學(xué)院，浙江杭州 310053；2.浙江理工大學(xué)機械與自動控制學(xué)院，浙江杭州 310018；3.杭州空靈智能科技有限公司，浙江杭州 310011）

0 引言

加工中心是指具備刀庫，有自動換刀能力，對零件一次安裝后可以進行多道工序加工的數(shù)控機床，特別適合柔性加工，已成為當(dāng)今國際機床產(chǎn)業(yè)上研究熱點[1-3]。與刀架和斗笠式刀庫相比，機械手刀庫刀具數(shù)量多，換刀速度快且安裝便捷[4-5]；與鏈式刀庫相比，占用體積空間小，成為了加工中心上刀具裝置首選[6]。機械手刀庫結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，一直是加工中心制造中技術(shù)難題，吸引眾多工程技術(shù)人員和學(xué)者研究。戚洪利[7]研究了自動換刀裝置機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)；梁盈富[8]研究了圓盤式刀庫機械手換刀的控制程序；張繼紅[9]研究了自動換刀機械手控制系統(tǒng)。隨著加工中心切削速度的提高，切削時間的不斷縮短，對換刀時間的要求也越來越高，換刀的速度已成為高精度加工中心的一項重要指標[10]。

以企業(yè)用FANUC 立式加工中心刀庫結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)改造設(shè)計為例，研究了機械手刀庫換刀速度提升問題，進而提升加工效率。

1 機械手刀庫基本組成

機械手刀庫主要由刀盤、刀夾、升降氣缸、刀庫電機、機械臂、刀庫信號和刀庫計數(shù)開關(guān)、凸輪、錐齒輪、杠桿、凸輪滾子組成。針對企業(yè)設(shè)備實際需要，本次設(shè)計一臺單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機械手刀庫。

2 機械手刀庫的設(shè)計要求

機械手刀庫驅(qū)動方式一般分為普通電機驅(qū)動、伺服電機驅(qū)動、液動驅(qū)動等，為使刀庫符合加工中心的加工需求，本次設(shè)計以普通電機為例，對刀庫設(shè)計進行分析，確保刀庫運行可行。其中，轉(zhuǎn)速為3000 r/min，配合減速器使用為200 r/min。

結(jié)合電機驅(qū)動條件，計算出立式加工中心自動換刀裝置轉(zhuǎn)矩T（扭矩公式:T=9550P/n），其中T=47.75 N·m，刀庫轉(zhuǎn)動軸功率及轉(zhuǎn)速分別為200 W，600 r/min，為使設(shè)計精度得以提升，其圓柱齒輪轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動之比（nm/i1、nm/i2）中i 的取值范圍控制在3 至5 之間，本次計算取平均值4。聯(lián)軸器效率為η=0.99，η=0.995 為滾動軸承效率，齒輪轉(zhuǎn)動效率為η=0.997。經(jīng)計算各軸轉(zhuǎn)矩分別為136.14 N·m、525.58 N·m，依據(jù)公式dmin=A03 計算自動換刀裝置軸最小直徑分別為dmin1=42.65 mm，dmin2=39.84 mm，經(jīng)計算得出齒輪重要幾何尺寸為:d1=m，z1=84 mm，d2=m，z2=268 mm，a=m/2(z1+z2)=176 mm，b=Фd，d1=58.8 mm，經(jīng)計算刀庫設(shè)計強度滿足立式數(shù)控加工中心自動換刀裝置設(shè)計需求。

運用三維繪圖軟件SolidWork 設(shè)計刀庫機械結(jié)構(gòu)，運用虛擬仿真技術(shù)模擬刀庫的動作過程，為加工作準備，如圖1 所示。

圖1 機械手刀庫結(jié)構(gòu)

3 機械手刀庫換刀過程

機械手臂式換刀最大的優(yōu)點在于可以隨機換刀還刀，無需刀套和刀號一一對應(yīng)，當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)檢測到M06 調(diào)用的宏程序和T 選到脈沖信號的時候，機械手開始動作。

首先主軸實現(xiàn)“主軸定位”，能準確無誤的使刀具插入或拔出主軸；然后Z 軸開始下降，下降的位置就是將要換刀的位置，也稱“換刀點”，這個換刀的位置，是靠參數(shù)來設(shè)置的；接下來刀庫里面的刀盤開始旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的停止位置就是當(dāng)前所輸入的M6 TXX，他在平行于換刀點位置停止；然后當(dāng)前刀套倒下，再然后機械手開始動作；機械手的一端扣住倒下刀套的刀柄，另一端扣住主軸處的刀柄；主軸上方的氣缸開始工作；主軸由緊刀狀態(tài)變成松刀狀態(tài)，這時的機械手繼續(xù)動作，機械手會向下運動，運動到一定的位置時，機械手旋轉(zhuǎn)180°，來實現(xiàn)刀具的交換。機械手臂實現(xiàn)刀臂交換之后，主軸由松刀狀態(tài)轉(zhuǎn)為緊刀狀態(tài)，這時機械手動作回到初始狀態(tài)，換刀流程如圖2 所示。

4 宏程序使用

目前加工中心機械手刀庫有兩種類型的換刀程序的編制:一是由PMC 程序控制實現(xiàn)全部動作；二是由PMC程序?qū)崿F(xiàn)單步動作，而由宏程序?qū)崿F(xiàn)換刀動作的順序部分。由于宏程序的編程簡單，尤其是可以方便的進行條件判斷，改變程序的流程，分析和調(diào)試程序也方便，所以本設(shè)計，換刀程序選用宏程序方式編制。

圖2 換刀流程

機械手刀庫的換刀分解為兩部分，第1 部分為換刀。在實際加工過程中，可先發(fā)出選刀指令完成選刀，在需要換刀的工步再行執(zhí)行換刀，這樣可以節(jié)約換刀時間。具體宏程序編制說明如下。

其中，變量功能#1000～#1015 把16 位信號從PMC 送到用戶宏程序；變量#1000 到#1015 用于按位讀取信；#1032 號。變量#1032 用于一次讀取一個16 位信號；變量功能#1100～#1115把16 位信號從用戶宏程序送到PMC；變量#1100 到#1115 用于按位寫信號；#1132 變量#1132 用于一次寫一個16 位信號；變量#1133 用于從用戶宏程序一次寫一個32 位的信號到PMC。注意:#1133 的值為從-99999999 到+99999999。

4.1 宏變量解釋

#1000（G54#0）:T 代碼檢索完成，刀旋轉(zhuǎn)結(jié)束，等待換刀

#1001（G54#1）:刀庫和主軸數(shù)據(jù)更新結(jié)束

#1002（G54#2）:T 代碼等于主軸上刀號，換刀結(jié)束

#1100（F54#0）:Z 軸回到換刀點（參數(shù)1241），上軸定向完成（等待刀套倒卜動作）

#1101（F54#1）:換刀動作結(jié)束（數(shù)據(jù)表更新等待）

#1102（F54#2）:換刀機構(gòu)動作完成

#1103（F54#3）:換刀開始標志位

4.2 M 代碼含義

M06:呼叫O9001 號換刀子程序

M19:主軸準停

M41:主軸刀具松開

M42:主軸刀具夾緊

M43:刀套下（倒刀）

M44:刀套上（回刀）

M45:換刀馬達第一次啟動（扣刀）

M46:換刀馬達第二次啟動（拔刀插刀）

M47:換刀馬達第三次啟動（回零）根據(jù)具體

4.3 宏程序代碼

O9001;

N1 #1103=0 換刀開始標志

N2 IF［#1002EQ1］GOTO19 T與主軸刀號

N3 G91G30P2Z0 回第二參考點

N4 M19 主軸定向

N5 #1100=1 換刀位置，定向完成，置位

N6 IF［#1000EQ1］GOTO8 檢索完跳到N8

N7 GOT O4 檢索未完成跳到N4

N8 M43 刀套倒下

N9 M45 扣刀

N10 M41 主軸松刀

N11 M46 拔刀插刀

N12 M42 主軸刀具卡緊

N13 M47 刀臂回原位

N14 #1102=1 換刀完成標志1

N15 M44 刀套上命令

N16 #1101=1 數(shù)據(jù)表交換指令，數(shù)據(jù)交換

N17 IF［#1001EQ1］GOTO 19 數(shù)據(jù)交換結(jié)束，跳到N19

N18 GOTO 15 數(shù)據(jù)交換未完成跳到N15

N19 #1100=0 恢復(fù)標志位初始化狀態(tài)

N20 #1101=0

N21 #1102=0

N22 #1103=1

N23 M99

5 PMC 程序設(shè)計與調(diào)試

5.1 主要程序說明

采用FANUC 0i-MD 數(shù)控系統(tǒng)，進行PMC 程序編制。主要程序功能指令說明如下:

當(dāng)在MDI 或者自動運行時，輸入M06 TXX，T 指令執(zhí)行，在PMC 程序中F7.3 發(fā)出選通脈沖信號，如圖3 所示。

當(dāng)T 發(fā)出脈沖信號時，開始在PMC 程序中進行檢索刀號，如圖4 所示。

當(dāng)檢索到所選刀號的時候，通過計數(shù)器來判斷，如圖5所示。

刀庫旋轉(zhuǎn)的時候，刀庫計數(shù)器也在一直運行，當(dāng)ROTB 指令在尋找刀號時，計數(shù)器在一直判斷，直到所選刀號等于當(dāng)前刀號，如圖6 所示。

圖3 T 脈沖信號

圖4 T 數(shù)據(jù)檢索

圖5 計數(shù)器

圖6 ROTB 選刀指令

5.2 調(diào)試說明

加工中心機械手刀庫機械結(jié)構(gòu)和電氣安裝完成后，進行PMC 程序調(diào)試。在運行調(diào)試機械手刀庫之前，需要先設(shè)置好數(shù)控機床的參考點，以及第二參考點（即換刀點），換刀點需要手動調(diào)試。當(dāng)調(diào)整好換刀點后，空刀情況下模擬有刀運行，當(dāng)確保無誤之后，進行正常換刀。

6 結(jié)束語

（1）設(shè)計一款適用于加工中心機械手刀庫，并設(shè)計制作三維模擬動畫的結(jié)構(gòu)圖，在分析研究基礎(chǔ)上，設(shè)計改進機械手刀庫的換刀流程。

（2）設(shè)計加工中心機械手刀庫PMC 程序，并在設(shè)備上安裝調(diào)試運行正常。該加工中心改造后經(jīng)企業(yè)使用半年，實踐表明系統(tǒng)運行狀況良好，可靠性高；機械手刀庫控制系統(tǒng)的改進提高加工效率，提升企業(yè)經(jīng)濟效益，為其他同類加工中心機械手刀庫設(shè)計提供參考案例。