加工中（zhōng）心自（zì）動換刀係統組合（hé）式換刀控製方式的研究-加工（gōng）中心網-數控（kòng）機床市場網

您現（xiàn）在的位置：加工中心（xīn）網> 技術前（qián）沿>加工（gōng）中（zhōng）心自動（dòng）換刀係統組合式換刀控製方式（shì）的研究

加工中心自動換（huàn）刀係統組合式換刀控製方式的研究

2019-6-19 來源：南通（tōng）航運職業技術學院作者：施蘇俊嚴帥

摘要：在加工中心自動換刀（dāo）係統中，采用隨機換刀與固定刀位式換（huàn）刀相結合的組合式換刀方式（shì），結合了兩種換刀形式的優點，有效地提高了加工中心換刀（dāo）的效率與可靠性。

關鍵詞：加工中心；自動換刀裝置；組合式（shì）換刀

立式加工中心配置的自動換刀係統能夠通過（guò）加工程序選擇機床主軸當前使用的刀具，進而在工件一次安裝的過程中通過改變主軸（zhóu）當前刀具，自動完成包括銑（xǐ）削、鏜削、鑽、擴、鉸、攻絲在內的多工序加工內（nèi）容，實現工序（xù）集中。

基於此，自動換刀裝（zhuāng）置成為數（shù）控加工中（zhōng）心（xīn）區（qū）別於普通（tōng）數控（kòng）銑床的關鍵標誌，是提高機械加工生產率的（de）關鍵部件。

在工序較長、所需刀具較多的複合加工中，加工中心換刀（dāo）時間是工序時間的重要組成部分，因此，研（yán）究加工中心換刀係統的換刀方式，保證加工中心換刀的準確性和快速性，對於提高加工中心的加工效率和生產的穩定性具有重要的現實（shí）意（yì）義。

1 、當前自動換刀係統的常用形式介紹

數控機床的自動換刀裝置（zhì）簡稱 ATC（AutomaticTool Changer），是指能夠在待加工刀具儲存區域與機床主軸加工位置之間自動完成刀具更（gèng）換的裝置。ATC裝置主要由刀庫（存儲刀具）和機械手（shǒu）（執行換刀動作）兩大功能部（bù）件組成。

刀庫的功能是存儲刀具，通過編號記憶每把刀具在刀庫中所處的（de）位置（zhì），在接收到數控加工程序的換刀指令後根據指令（lìng）把程序選擇（zé）的刀具（jù）移（yí）動（dòng）到換刀位置（zhì）等待換刀。

機械手完成刀庫中等待交換刀具與主（zhǔ）軸（zhóu）當前刀具的（de）交換動作。刀庫容量（liàng）一般較大，通常安裝在距離主軸較遠的位置，因（yīn）此在換刀過程中，需要通過換刀機構來完成主軸與刀庫之間（jiān）的換刀動作。

當前（qián），加（jiā）工中心換刀（dāo）機構常見的換刀方式有以下幾（jǐ）種：固定刀位式：是指機床使用的刀具在刀庫中有自己的（de）固定位置（刀座），也就是說從刀庫（kù）中取出的刀具，使用後從（cóng）主軸上卸下必須還回到原來的刀座。

隨機刀位式（shì）：是指還回刀庫的刀具位置不固定，刀具在刀庫中的存放位置是隨機的。混合還刀式：刀庫中的刀座分為不同區域，某些區域內的刀具采用隨機刀位式換刀而特指區域內采（cǎi）用固定刀位式換（huàn）刀。這種方式（shì）在使用大直徑（jìng）刀具（jù）時采用。對不同類型 ATC 裝置的性能進行比較，得出以下結論：從換刀速（sù）度看，同步隨機刀位式換刀較快（kuài）；從刀具管理角度看，固定刀位式占優（yōu）。

2 、固定刀位式換刀方法的分析

采用固定刀位換刀的刀庫，每次換刀的刀座編碼與刀具（jù）號一（yī）一（yī）對應，機（jī）床操作（zuò）人員對刀庫中的刀具分（fèn）布狀況一目了（le）然，裝（zhuāng）刀時可以根據加工程序中換刀指令代碼所指定的刀號（hào）將刀具直（zhí）接裝入相應編號的刀座中，也可以根據刀具在刀庫中的當前位置直接編寫換刀指令。

刀庫中不需要設立專門的大（dà）直徑刀具區（qū），隻要在大直（zhí）徑刀具兩旁的刀座內不裝入刀具（jù）就可以

正常安全使用。

固定刀位式換刀，在將主軸上卸下的原來刀具（jù）送還刀庫（kù）時，要尋找原來的（de）刀座，刀庫必須

再次旋轉定位，這就影響（xiǎng）了還（hái）刀速度，因而（ér）這種換刀方式換刀速度較慢。其換刀過程如圖 1.

圖 1 鬥笠（lì）式刀庫換刀流程圖

固定刀位式（shì）換刀機構（gòu）具有以下特點：

（1）製造成本低（dī）。主要部件是刀庫體及分度盤，刀庫分度使用的是非（fēi）常經典的“馬（mǎ）氏槽輪機構”，前後運動通過（guò）氣缸的伸出與縮回完成，上下運動借助加工中（zhōng）心 Z 軸動作完成。裝配調整（zhěng）比較方便，維護簡單。

（2）換（huàn）刀時間比較長。

3 、隨機換刀（dāo）控製方法的分（fèn）析（xī）

若選用圓盤式刀庫，其機械手為雙爪機械手結構，采用同（tóng）步式換刀，機（jī）械手在一次（cì）換（huàn）刀啟動過程中同時完成舊刀具還刀入庫和新刀（dāo）具從刀庫裝入主軸（zhóu）的過程。在機床正常加工過程中，刀庫裝刀盤可以同時完（wán）成選刀動作而不占用加（jiā）工時間，其機械手換刀過（guò）程如圖（tú） 2 所示。

機械手圓（yuán）盤刀庫換刀采用隨機地（dì）址換刀。刀套編號與（yǔ）刀具（jù）號不必一一對應，而是將刀套與刀具（jù）的對應關係記錄在刀具表中。其最大的優點是（shì）換刀迅速（sù）、可靠，一次換刀時間通常在 8 s

以內。

隨機換刀的換刀過程，可以（yǐ）分為選刀和（hé）換刀兩個步驟。選刀（dāo）過程中，通過調用 Txx 指令（lìng），完成刀庫中的刀具搜索，找出指令刀具位置並將刀具移動到（dào）換刀位置等待（dài）換刀（dāo）。換刀過程中，機床在接收（shōu）到 M06換刀指令後（hòu）即開始執行自動（dòng）換刀機構的換刀動作，將目標刀具安裝到主軸上（shàng），同時（shí）將主軸上的原（yuán）刀具（jù）送入刀庫，完成刀具的交換。

這種換刀過程屬於隨機換刀，控製係統隻對刀具進（jìn）行編碼而不對刀座進行編碼（mǎ）識別，刀具在刀庫中放置（zhì）的實際位置是按照最短移動路徑來確定的，是隨機的。選刀控製的 PMC程序流程如圖 3

所示。

圖 3 一般隨機選刀流程圖（tú）

由於受刀盤空間的限製，盤式刀庫在隨機換刀過程中，為防止相鄰刀（dāo）具發生幹涉，對刀（dāo）具直徑要求有（yǒu）所限製，刀具直（zhí）徑應不超過 100 mm. 對於直徑超過100 mm 的刀具（jù）（如盤刀、大刀體鏜刀（dāo）等），其安裝在刀盤上將占據與之相鄰的兩個刀（dāo）位，此時（shí），這把刀具若采用隨機換刀，將與其他刀具位置（zhì）發生幹涉，有可（kě）能產生碰撞。

在通（tōng）常情（qíng）況下，就（jiù）不（bú）允許其參與隨機自動換刀，而采用手動將該刀具安裝在主軸上的（de）方（fāng）法，這將極大地降低加工中心的自動化程度和（hé）生產效率。

4 、組合式換刀的控製流程

綜合上述兩種換刀方式的（de）優缺點，設計出隨機換刀與固定刀位換刀相結合的換刀方式，以解決該問題。

其設計思路是：將刀庫中刀具存儲區域劃分為兩部分。一部分用於存放正常值刀具，占據大多數刀具存儲空間，換刀方式仍然采用隨機換刀；另一部分少數刀具存儲空間用於存放大直徑刀具，換刀方式采用固定刀位換刀，刀（dāo）具編（biān）碼與刀位編碼（mǎ）一一對應。

換刀過程中（zhōng）該區域（yù）刀具不允許放（fàng）入（rù）其它刀位，同時，該區域刀位也不允許被其他刀具占（zhàn）用

。其控製流程如圖 4 所示。

當（dāng）加工程序中通過 Txx 指（zhǐ）令選刀動作後，數控係統通（tōng）過宏程序判斷換刀方式。數控宏程序（xù）通過讀取係統變量，判斷程序中要求換刀的刀具應采用何種換（huàn）刀方式（shì），標記狀態位作為（wéi）換刀宏程序的（de）條件轉移跳步（bù）標誌，通過用戶宏程序和 PMC 之間（jiān）的接口信號傳遞，實現隨（suí）機換刀與固定換刀的方式選擇。

5 、實現組合式換刀方式的控製（zhì）程序

選刀指令（lìng）使（shǐ）用 Txx 調用選刀宏程序，其內容如下：

換刀過程采用 M06 調（diào）用換刀宏程序，其內容如下：

6 、組合式（shì）換刀程（chéng）序的實際應用效果測試

為驗證組合式換刀程序的實（shí）際應用效果，在（zài）VMC1000 立式加工中心上進行實際換刀測試。

在換刀過程中，采用宏（hóng）程序（xù）判斷處理（lǐ）大（dà）直徑刀具，實現盤式刀庫根據刀具直徑選擇換（huàn）刀方式的控製，即保證了少數（shù）大直徑刀具在換刀過程（chéng）中的安（ān）全性，同時又兼顧了一般刀具采用隨機換（huàn）刀方式的快速性。

與原有換刀方式進行對比，VMC1000 立式加工中（zhōng）心在應用組合式換（huàn）刀程序後，對（duì）於小直徑刀具（jù），隨機更換換刀位置，保證換刀效率；而對於直徑超出安全值的大直徑（jìng）刀具，則通過固定換刀位置，有效避免了換刀過程中的幹涉，如圖 5 所示。

圖 5 VMC1000 立式（shì）加工中心組合式換刀程序（xù）連續換刀實驗

選擇 10 把刀具（包含（hán） 1 把直徑超出安全範圍的（de）大尺寸刀具），進行連續換刀實驗，對組合式換刀與固定式換刀進行換刀效率比較（jiào），在相同進給速度（dù）且刀具更換順序不變的條件下，進行連續 10 次換刀實驗，實驗數據如表 1 所列。

表 1 固（gù）定式（shì）換刀（dāo）與組（zǔ）合式換刀實驗（yàn）換（huàn）刀時間比較

通過連續換刀（dāo）實（shí）驗，組合式換刀與原換刀（dāo）方式比較，采用（yòng）組合式（shì）換刀的立式（shì）加工中心相對於固定式換刀，單次換刀效率可提（tí）高將近 40%.通過（guò）宏程序與程序結合使用，使得機（jī）床的換刀過程控製更為高效、簡捷、安全。該方法在 VMC1000 立式加工中心上通過驗（yàn）證，具有普（pǔ）遍的應用價值（zhí）。

投稿箱：
如果（guǒ）您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯係本網編輯部，郵箱：skjcsc@vip.sina.com

更多相關信息

名企推薦

業界視點（diǎn）

| 更多

行業數據

| 更多

博文選萃

| 更多