加工中心是數控（kòng）機（jī）床中機電一體化高技（jì）術產（chǎn）品，同時又是實現先進製造技術不可（kě）缺少的工藝設備。它綜合了微電子、計算機、自動控製，精密測量、機床製造等方麵技術及相（xiàng）關配套的最新成就（jiù），是當代機床工業發展方向（xiàng）和先進生產（chǎn）力的標誌。

      加工中心由機床（chuáng）（機（jī）械部分）和控製係統（電（diàn）氣部分）2 部分組成，機床是（shì）加（jiā）工中心的主體，控製係統是加工中心的核心。加工中心的主機通常是由三大基礎部件組（床身、立（lì）柱和工作台（tái））和主軸部件、刀具自動交換係統（Automatic Tool Change，ATC）及其他輔助功能部件組成。本課題主要涉及其中的刀庫組件（jiàn）模塊的（de）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(PMC 集（jí）成在其內部)、伺服係統（tǒng）、主軸控製係統4 部分。Fanuc 0i 數控係統是高質量、高性能（néng）、高集成度的小型化CNC，代表了目前常用CNC的最（zuì）高水平，使用（yòng）了高速串行伺服總線（用光纜（lǎn）連接）和串行I/O 數據口，有以太網口。適用於小（xiǎo）型加工中心、銑床及小型機床。該機床主要功能（néng）及組成如圖1 所（suǒ）示。

      G4 1230 AJ 四坐標龍門加工中心的總體結構為固定龍門（mén）工作（zuò）台移動式， X 、Y 、Z 、A 共四軸四聯動。加工（gōng）中心配（pèi）備了自動換刀刀庫係（xì）統。刀庫係統是（shì）提供自動化加工過程中所需（xū）之儲刀（dāo）、換刀需求的一種裝置。其自（zì）動換刀機構（gòu）及可以（yǐ）儲放多（duō）把刀具的刀庫，改變了傳統以人為主的生產方式，即（jí）由電腦程（chéng）序的控製，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，降低生產成本，這是刀庫係統的最大特點。

      加工中心刀（dāo）庫采用（yòng）了鏈式刀庫。鏈式刀庫具（jù）有容量較大、占地較少以及（jí）在增加存儲刀具數目時可增加鏈條的長度而不增加鏈輪直徑等特點。基於（yú）這些優點，鏈（liàn）式刀庫在加工（gōng）中心應用非（fēi）常廣泛。

      基於Fanuc 係統的四（sì）軸加工中心的刀庫能完成自（zì）動換刀。在自動交換刀具時，應保證交換前後刀（dāo）具都處於正確的位置。刀庫換刀機（jī）構都應用足夠的剛度，可靠性高（gāo）。換（huàn）刀時間盡可能短，操作安全，且（qiě）刀具管（guǎn）理方便。

      刀庫特點如下（xià）：

      （1）刀庫的容量為（wéi） 32 把刀，並具有（yǒu）刀具測量係統。

      （2）機床配備RENISHAW TS 27 R 刀具測量頭，具備刀具（jù）長（zhǎng）度、直徑測（cè）量功能，並可檢測刀具斷裂和破損情況。

      （3）刀庫具（jù）有的各種保護功能（néng）：

      · 急停保護。

      · Y 坐標第2 限（xiàn）位超程保護。機床的換（huàn）刀（dāo）點在機床 “Y ”坐標的工作行程外部，所（suǒ）以“Y ”向行程有2 個限位開關保（bǎo）護，1 個是工作行程的限位保護（hù），另一個是換刀限位的保護。機床自動換刀（dāo）時，首先要將“Y ”向行程限

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

      ·各動作互鎖保護。機床的（de）刀庫安裝在機（jī）床的橫梁側（cè）麵，所（suǒ）以在刀庫的（de）外圍安裝了防護門，以（yǐ）防在換刀時有人接近發生危險。防護門打開（kāi）時（shí）機（jī）床自動切（qiē）換（huàn）到手動方式，並且不能進（jìn）行換刀操作。機床的各個換刀動作之間（jiān）都有到（dào）位檢測開關，動作不（bú）到（dào）位就（jiù）不能（néng）進（jìn）行下一步動作。

      1 機床換刀係統設計

      1.1 刀庫換刀的種（zhǒng）類及選用

      （1）順序換刀。按照工藝要求依次將所有的刀具插入刀庫的（de）刀座（zuò）中，順序（xù）不（bú）能錯，加工時（shí）按順序調刀，已經使用過的（de）刀具可（kě）以放回到原來的刀座內，刀具（jù）號（hào）和刀（dāo）座號之間的關係不會隨著刀具的交換而（ér）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，結構簡（jiǎn）單（dān），工作可靠，但是刀庫和刀具的利用率低（dī）。

      （2） 隨機換刀。對刀（dāo）庫中的每把刀具進行編號，刀庫（kù）上裝有位（wèi）置檢測裝置，刀庫上（shàng）設有機械原點，在PMC內部（bù）設置一個模擬刀庫的刀（dāo）具表，刀具編號（hào）可任意設定，一旦設定不應隨意改變，刀具表（biǎo）與實際刀庫中的刀具的位置（zhì）始終保持一致，此種換刀方式穩定性、可靠性高，刀具號和（hé）刀座號之間的關（guān）係隨著刀具的交換而改變。因此，隨機換刀方式比較靈活，又可以節省換刀時間所以本機床采用了隨機換刀形（xíng）式。

      1.2 換刀係統總體結構

      機床刀庫安裝在機床的橫梁側麵，刀庫采用隨機換（huàn）刀（dāo）方式（shì）。刀（dāo）庫電機為（wéi）步進（jìn）電機，機械手傳動機構為凸輪機構，機床換刀係統（tǒng）總體結構如圖2 所示。

      從圖2 中（zhōng）可以看出機（jī）床（chuáng）換刀係統（tǒng）由刀庫主體和主

      軸2 部分組成。其中刀庫主體由刀庫和機械手2 部分組成：刀庫由刀庫電機（jī）和位置檢（jiǎn）測開關組成，機械手由機械手電機和機（jī）械手到位檢測開關2 部分組成；主軸換刀部分由鬆/ 夾刀氣缸和檢測開關2 部（bù）分組成（chéng）。

      1.3 刀庫換刀方式

      本機床（chuáng）有3 種換刀（dāo）方式，即自動換刀（dāo）、半自動換刀和（hé）手動（dòng）換刀。每（měi）種換刀方式的具體介紹如（rú）下所述：

      （1）自動換刀。

      當執行到加工（gōng）程序中的（de）換（huàn）刀指（zhǐ）令時或是操作者在 “MDI”方式下輸入換刀指令時，機床能夠（gòu）自動完成一係列的換（huàn）刀動作，刷新刀（dāo）具（jù）表，並（bìng）且能夠（gòu）回到加工區域。

      （2）半自（zì）動換刀。

      操作者把機床主軸開到換刀點時，執行半自動換刀指令，機床可以完成刀具交換動作，並（bìng）能夠（gòu）自動刷新刀具表（biǎo），但是機床不能自動回到加工區域中，需要手動操作。

      （3）手動換（huàn）刀。

      機床配備手動換刀（dāo）盒，需要將機床開到換刀點，然後可以分步執行換（huàn）刀動作。此方式不能自動刷新刀具數據表。也不能自動回到加（jiā）工區域中，此種換刀方式主要用於刀庫的調試及維護。

      2 換刀係統的控製

      在換刀控製時，通常可以將刀具交換分為（wéi）2 個步驟，一是完成搜索（suǒ）刀庫中（zhōng）的目標刀具，二是刀具交換（huàn）的具體動作。刀庫刀具交換的PMC 控製程序設計（jì）主要考慮搜索（suǒ）目標刀具在刀（dāo）庫上的刀套位置，刀庫旋轉方向（目標刀具所在刀套的最短路徑）的判（pàn）別，從（cóng）而完成目標刀具的搜索，為刀具的交換（huàn）做準備。機床的PMC 程序通（tōng）過刀庫的接（jiē）口信號對其進行換刀等一係列動作的控製。圖3 是加工中心的（de）刀庫（kù）控製流程。

      2.1 刀庫隨機換刀時序

      （1）因為刀具（jù）號（hào）和（hé）刀座號之間是（shì）隨機安裝的，因此當程序的目標刀（dāo）號發出後，首先要根據數據表（biǎo）所記（jì）錄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（jù）目標刀座號和當前位的刀座號計算出旋轉步數和（hé）旋轉方向驅動刀庫電機旋轉，當（dāng）前（qián）位（wèi）和目標位一致後停止刀庫電機（jī），進行主軸刀具交換。

      （3) 當刀具交換完成後，更新刀具表上的主（zhǔ）軸刀號和當前位的刀號，完（wán）成整個（gè）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（kuàng）建立（lì）刀具數據表，Fanuc0i MC 數控係（xì）統（tǒng）沒有（yǒu）刀具表，刀具表是借用PMC 中的數據表，刀具數據（jù）表如（rú）圖4 所示。

      圖4 是隨機刀庫的刀（dāo）庫表（部分（fèn）），刀具數量為（wéi）刀庫（kù）

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

      2.2.2 根據當前（qián）位刀座號和目標刀座號計算出旋轉方向和（hé）旋轉步數

      刀庫在機床上電之後（hòu）首先要進行回零操作，若是沒有回零係統（tǒng）會提（tí）示操（cāo）作者，並且刀庫不運動。當有換刀指令時，係統會根（gēn）據當前位刀座（zuò）號和目標刀座（zuò）號（hào）計算出（chū）最短的旋轉步數及旋轉（zhuǎn）方向。

      2.2.3 旋轉到位並刀具交換完成後更新數據

      PMC 程序首先要更新當前刀位的刀號，然後（hòu）更新（xīn）主軸上刀具的刀號，並且把更新後的數值寫入刀具數據表中。更新前後的刀具數（shù）據表的比較（jiào）如（rú）圖6 所示。其中圖6（a）為更新前刀

      （MD1407），采用階躍改變信號測試，記（jì）錄Tn 值設為0。調整Tn 。減小Tn 至20~2ms 範圍內，進（jìn）行“參考頻（pín）率響應”測試，使幅頻特性波形低於3dB，反複調整測試（shì）直到最小。速度（dù）幹擾階躍響應：用於檢查速度環積分時間（MD1409）。

      速度環頻率（lǜ）響應如（rú）圖4 所示，速度環的最（zuì）佳調節應（yīng）該在位置環開（kāi）環條件下（xià），測量元（yuán）件的安裝情況影（yǐng）響位置（zhì）環的精度，不可輕視。

      3.3 位置環的優化

      MD32200、MD32431 最大值取決於機械的自然頻率。MD32200 使（shǐ）用位置（zhì）環頻響特性測（cè）試找到極（jí）點（diǎn）加入速度環濾波器1500，增加Kv 值且保證其在整個頻率範圍內小於0dB。

      對於（yú）插補軸必須設定（dìng）相同的Kv 值，即依照最差軸（zhóu）為準。此外，本項目（mù）還引（yǐn）入了前饋控製技術。前饋控製與反饋控製相反，它是將指令值取出部分預加到後麵的

      調節電路，其主（zhǔ）要作（zuò）用是減小跟蹤（zōng）誤差、提（tí）高動（dòng）態響應特性從而提高（gāo）位置控（kòng）製精度。前饋控製的加入必須是在上述三個控製環均最佳調試完畢後（hòu）方可進行，且各聯動坐標軸的Kv 值必須相同，以保證合成運動時的（de）精度。位置環頻率響應如圖5 所示：位置環設定點階越、位置環幹擾階躍。圖6 為伺服定位曲線圖。

      4 結束語

      將力矩電機應（yīng）用於機床A 擺的驅動，取消（xiāo）了傳統（tǒng）齒（chǐ）輪（lún）傳動機構，沒有（yǒu）中間（jiān）機械環節的傳動間隙和柔（róu）性問題；通過驅動參數的配置及優化，提高（gāo）了機床加工精度（dù）和響應速度。本方法的提出為力矩電（diàn）機在今後機床的廣泛應用提供了理論和實踐基礎。