加工中心是數控機床中機電（diàn）一體化高技術產品，同時又是實現先（xiān）進製造技術不可缺少的工藝設備。它綜合了微電子、計算（suàn）機、自（zì）動控製（zhì），精密測量、機床製造等方（fāng）麵技術及相關配（pèi）套的最新成就，是當代機（jī）床工業發展（zhǎn）方向和先進生產力的（de）標誌（zhì）。

      加（jiā）工（gōng）中心由機床（機（jī）械（xiè）部分）和控製係統（電氣部分）2 部（bù）分組成，機床是加工中（zhōng）心的主體，控製（zhì）係統是加工中心的核心。加（jiā）工中心的主機通常是由三（sān）大基礎（chǔ）部件組（床身、立柱和工作台）和主軸部（bù）件、刀具自動（dòng）交換係統（Automatic Tool Change，ATC）及其他（tā）輔助功能部件組成。本課題主要涉及其中的刀庫組件模塊的設計。

      G4 1230 AJ 數控加工中心總體組成包括機床主體、FANUC 0i 數控係統控製（zhì）(PMC 集成在其內（nèi）部)、伺服係統、主軸控製係統4 部分。Fanuc 0i 數控係統是（shì）高（gāo）質量（liàng）、高性能、高集成度的小型化CNC，代表了目前常用CNC的最高水平，使用了高速（sù）串行伺服總線（用光纜連接）和串行I/O 數據口，有以（yǐ）太網口。適用於小型加工中心、銑床及小型機床。該機床主（zhǔ）要功能及（jí）組成（chéng）如（rú）圖1 所示。

      G4 1230 AJ 四坐標龍門（mén）加工中心的總體結（jié）構為固定龍門工作台移動式， X 、Y 、Z 、A 共四軸四（sì）聯動。加工中心配備了自（zì）動換刀刀庫係統。刀庫係統是提供自動化加工過程中所需之儲刀（dāo）、換刀需求的（de）一種裝（zhuāng）置。其（qí）自（zì）動換刀機構及可（kě）以儲放多把刀具（jù）的刀庫，改變了傳統以人為主的生產方式，即由電腦程序的控（kòng）製，可以完成各種不同的加工需求，如銑削、鑽孔、攻絲等。大幅縮短加工時間，降（jiàng）低生產成本，這是刀庫係統的最大特點。

      加工中心刀庫采用了（le）鏈式刀（dāo）庫。鏈式刀庫具有容量較大、占（zhàn）地較（jiào）少以及在增加存儲刀具數（shù）目時可增加鏈條的長度而不增加鏈（liàn）輪直徑等特點。基於這些優點，鏈式刀庫在加工中心應用非常廣泛。

      基（jī）於（yú）Fanuc 係統的四軸加工中心的刀庫能（néng）完成自（zì）動換刀。在自動交換刀（dāo）具時，應保證交換前後刀具（jù）都處於正確的位置。刀庫換刀機構都應用足夠的剛度，可靠性高。換刀時間（jiān）盡（jìn）可能短，操作安全，且刀（dāo）具管理方便。

      刀庫特點（diǎn）如下：

      （1）刀庫（kù）的容量為 32 把刀，並具（jù）有刀具測（cè）量係統（tǒng）。

      （2）機床配備RENISHAW TS 27 R 刀具測量頭，具備刀具長度、直徑測量（liàng）功能，並可（kě）檢測刀具斷裂和破損情況。

      （3）刀（dāo）庫具有的各種保護功能：

      · 急停保護。

      · Y 坐標第（dì）2 限位超程保護。機床的換刀點在機床 “Y ”坐標的工作行程外部，所以“Y ”向行程有2 個限位開關保護，1 個是工作行程的限位保護，另一個是換刀限位的保護。機床自動換刀時，首先要將“Y ”向行程限

      位切換為換刀保護（hù）限位，換刀完成時，各個坐標自動回到加工區（qū）域中，並且（qiě）PMC 自動將“Y ”向換刀限位切換為“Y ”向行程限位保護。

      ·各動（dòng）作互（hù）鎖保護。機床的刀庫（kù）安裝在機床的橫梁側麵，所以在刀庫的外圍安裝（zhuāng）了防護門，以防在（zài）換刀時有人接近發生危險。防（fáng）護門打開時機床（chuáng）自動切（qiē）換到手動方式，並且不能（néng）進行換刀操作。機床的各個換刀動作（zuò）之間都有到（dào）位檢測開關，動作不到位就不能進行下一步動作。

      1 機床換（huàn）刀係統設計

      1.1 刀庫換刀的種類及選用

      （1）順序（xù）換刀。按（àn）照工（gōng）藝要求依（yī）次將所有的刀具插入刀（dāo）庫的刀座中，順序不能錯，加工時按（àn）順序調刀，已經使用過的刀具可以放回到原（yuán）來的刀座內，刀具號和刀座號之間（jiān）的（de）關係不會隨著刀具的交換而改變，而一直保持一一對應關係。此種換刀方式不需要刀具識別，結構（gòu）簡單，工作可靠（kào），但是刀庫和刀具的利（lì）用率低。

      （2） 隨機換刀。對刀庫（kù）中的每把刀具進行編（biān）號，刀庫上（shàng）裝有位置檢測裝置，刀庫上設有機械原點（diǎn），在PMC內部設置一個模擬刀庫的刀具（jù）表，刀具編號可任意設定，一旦設定不應隨意改變，刀具表與實際（jì）刀庫（kù）中的刀具的位置始終保持一致，此種（zhǒng）換刀方式穩定性、可靠性高，刀具號和刀座號之間的關係隨著刀（dāo）具（jù）的交（jiāo）換而改變。因此，隨機換刀方式比較（jiào）靈活，又可以節省換刀時間（jiān）所以本機床采用了隨機換刀形式。

      1.2 換（huàn）刀係統總體結構

      機床刀庫安裝在機床的橫梁側麵，刀（dāo）庫采用隨機換刀方式。刀（dāo）庫電機為步進電機，機械手（shǒu）傳動機構為凸輪（lún）機構，機床換刀係統總體結構（gòu）如圖2 所示。

      從圖2 中可以看出機床換刀係（xì）統由刀庫主體和主（zhǔ）

      軸2 部分組（zǔ）成（chéng）。其中刀庫主（zhǔ）體（tǐ）由刀庫和機械手2 部（bù）分組成：刀庫由刀庫電機和位置檢（jiǎn）測開關（guān）組（zǔ）成，機械手由機械手電機和機械手到（dào）位檢測開關2 部分組成；主軸換刀部分由鬆（sōng）/ 夾刀氣缸和檢測開關2 部分組成（chéng）。

      1.3 刀庫換刀方式

      本機床有（yǒu）3 種換刀方式，即自動換刀、半自動換刀（dāo）和手動換刀（dāo）。每種換刀（dāo）方式的具體介紹（shào）如（rú）下（xià）所述：

      （1）自（zì）動換刀。

      當執行到加工程序中的換刀指令時或是操作者在 “MDI”方式下輸入換刀指令時，機床能夠自動完成一係列的換刀動作，刷新刀具表，並且能夠回（huí）到加（jiā）工區域。

      （2）半自動換刀。

      操作者把機床主（zhǔ）軸開到換（huàn）刀點時，執行半自動換刀指令，機床可以完成刀具交換動作，並能夠自動刷新刀（dāo）具表，但是機床不能（néng）自動回到加工（gōng）區域（yù）中，需要手動操作。

      （3）手動換刀。

      機（jī）床配備手動換刀盒，需要將機床開到換刀點，然後可以分步（bù）執行換刀動（dòng）作。此方式不能自動（dòng）刷新刀（dāo）具數（shù）據表。也不能自動回到加工區域中（zhōng），此種換刀方（fāng）式主要用於刀庫的調試及維護。

      2 換刀係統（tǒng）的控製

      在換刀控製時，通常可以將刀具交換（huàn）分為2 個步驟，一是（shì）完成搜索刀庫（kù）中（zhōng）的目標刀具，二是刀具交換的具（jù）體動作。刀庫刀具交（jiāo）換的PMC 控製程序設計（jì）主要考慮（lǜ）搜索目標刀具在刀庫上的刀套位置，刀庫旋轉（zhuǎn）方（fāng）向（目標刀具所在刀（dāo）套的最（zuì）短路徑（jìng））的判別，從（cóng）而完成目標刀具的（de）搜索，為刀具的交（jiāo）換做準備。機床的PMC 程序通過刀庫的接口信號對其進行換刀（dāo）等一係列動作（zuò）的控製。圖3 是加工中心的刀庫控製流程。

      2.1 刀庫隨（suí）機換（huàn）刀時序

      （1）因為刀具號和刀座號之間是隨機（jī）安裝的，因此當程序的目標（biāo）刀（dāo）號發出後，首先要根據數（shù）據表所記錄（lù）的刀具號和刀座號的對應關係檢索出對應的刀座號。

      （2）根據目標刀座號和當前位的刀座號（hào）計算出旋轉步數和旋轉方向驅動刀庫電機旋轉，當前位和目（mù）標位一致後停止刀庫電機，進行主軸刀具交換。

      （3) 當刀具交換完成後，更新刀具（jù）表上的主軸（zhóu）刀號和當前位的刀號，完成整個換刀時序。

      2.2 隨機換刀的PMC 處理

      首先根（gēn）據刀庫的排刀情況建立刀具（jù）數據表，Fanuc0i MC 數控係統（tǒng）沒有刀具表，刀具（jù）表是借用PMC 中的數據表，刀（dāo）具數據表如圖4 所示。

      圖4 是隨機（jī）刀庫的刀庫表（biǎo）（部分），刀具數量為刀庫

      刀號；檢索結果= 目標刀座號；W1=0 ：找到檢索數據；W1=1：未找到檢索數據。

      2.2.2 根據當前位刀座號和目標刀座號計算出旋轉方向和旋轉步數

      刀（dāo）庫在機床上電之後首先（xiān）要進行回零操作，若是沒有回零係統會提示操作者，並且（qiě）刀庫不運動。當有換刀指令時，係統會根（gēn）據當前位刀（dāo）座號和目標刀（dāo）座號計算（suàn）出最短的旋（xuán）轉步數及旋轉方向。

      2.2.3 旋轉（zhuǎn）到位（wèi）並刀具交換完成後更新數據（jù）

      PMC 程序首（shǒu）先要更新當前刀位的刀號，然（rán）後更新主軸上刀具的刀號，並且把更新後的數值寫入刀具數（shù）據表中。更新（xīn）前後（hòu）的刀具數據表的比較如（rú）圖6 所示。其（qí）中圖6（a）為更新（xīn）前刀

      （MD1407），采（cǎi）用階躍改變信號測試，記錄Tn 值設為0。調整Tn 。減小Tn 至20~2ms 範圍內，進行“參考頻率響應”測試，使幅頻特性波形低於3dB，反複調整測試直到最小。速度幹擾階躍（yuè）響應：用於檢查速度環積分時間（MD1409）。

      速度環頻率響應如圖4 所示，速度環的最佳調節應該在位置環開環條件下，測量元件的（de）安（ān）裝情況影響位置環的精（jīng）度，不可（kě）輕（qīng）視。

      3.3 位置環的優化

      MD32200、MD32431 最大值取決於（yú）機械的自然頻率。MD32200 使用（yòng）位置環頻響特性（xìng）測試找到極點加入（rù）速度環濾波器1500，增加Kv 值且保證其在整（zhěng）個頻率範圍內小於0dB。

      對於插補軸必須設定相同的Kv 值，即依照最差軸為準。此外，本項目還引入了（le）前饋控製技術。前饋控製與反饋控製相反，它是將指令值取出部分預（yù）加到後麵的

      調節電路（lù），其主要作用是減小（xiǎo）跟蹤誤差、提高動（dòng）態響應特性從而提高位置（zhì）控製精度。前饋（kuì）控製的加（jiā）入必須是在上述三個控製環均最佳（jiā）調試完畢後方可進行，且（qiě）各聯動坐標軸的Kv 值必（bì）須相同，以保證（zhèng）合成運動時的精度。位置環頻率響應如圖5 所示：位置環設（shè）定點階越、位置環幹擾階躍。圖（tú）6 為伺服定位曲線（xiàn）圖。

      4 結束語

      將力矩電機應用於機床（chuáng）A 擺的（de）驅動，取消了傳統齒輪（lún）傳動（dòng）機構，沒有（yǒu）中間機械環（huán）節的傳動間隙和柔（róu）性問題；通過驅動參數的配置及（jí）優化，提高（gāo）了機床加工精度和響應速度。本方法的提出（chū）為力矩電機在今後機（jī）床的廣泛應用提供了理論和（hé）實踐基礎。