朱文艺 张庆乐
(武汉工程职业技术学院 湖北 武汉:430080)
摘 要 以某型号数控加工中心为例，介绍了与其自动换刀功能相关的刀库和换刀机械手、气动系统、液压系统、电气系统的结构，并结合上述各部分结构描述详细说明了换刀动作原理及其控制过程。 关键词 数控加工中心;A TC；换刀子程序
中图分类号:T H161 文献标识码:A 文章编号:167123524(2009)0120005205
1 加工中心自动换刀功能概述
自动换刀功能是数控加工中心的基本功能之一。在数控加工中心中，该功能的实现依赖于自动换刀装置(A TC)。在加工中心上,A TC的投资往往占整机的30%-50%。因此，用户应十分重视其工作质量和刀库容量,A TC的工作质量主要表现为换刀时间和故障率两个方面。经验表明，加工中心故障中有50%以上与
A TC有关。因此，用户应在满足使用要求的前提下尽量选用结构简单和可靠性高的A TC，以提高整机的性价比。
带刀库的A TC由刀库和刀具交换机构组成。有的加工中心的刀具交换是靠主轴和刀库之间的相对运动实现的，图1所示即为此类加工中心。这类加工中心在换刀时必须先将主轴上的刀具送回刀库，然后再从刀库中取出新刀具，这两个动作不可能同时进行，因此换刀时间长。有的加工中心的刀具交换靠换刀机械手完成，图2所示即为此类加工中心。采用换刀机械手进行刀具交换的方式应用广泛，这是因为机械手换刀具有很大的灵活性，而且可以减少换刀时间。
仓库监控目前在加工中心上绝大多数都使用记忆式的任选换刀方式。这种方式能将刀具号和刀库中的刀套位置对应地记忆在数控系统中，不论刀具放在哪个刀套内，数控系统都始终记忆着它的踪迹。刀库上装有位置检测装置，可以检测出每个刀套的位置，这样刀具就可以任意取出并送回。刀库上还设有机械原点，使每次选刀时，能就近选取，如对于盘式刀库来说，每次选刀运动，刀库正转或反转的角度均不会超过180°
。
由于带换刀机械手的加工中心的应用越来越广泛，而我们研究的加工中心也是带换刀机械手的，所以下面就以该类加工中心为例，研究其换刀的动作过程及其控制原理。
2 自动换刀系统的结构组成
数控加工中心自动换刀系统的结构复杂。不同
收稿日期:2009201219
作者简介：朱文艺(1974～)，男，硕士，副教授.E2mail:zwy8018@126
类型的加工中心，同类而不同厂家生产的加工中心,
其自动换刀系统的结构均可能不同。下面结合某型号的加工中心，分别对其刀库和换刀机械手、自动换刀气动系统、自动换刀液压系统、电气系统的结构或功用进行分析与说明。
2.1 加工中心刀库和换刀机械手结构
该加工中心的刀库为B T50-24圆盘式刀库，刀库容量为24，刀柄/拉钉型号为B T40/LDA -40B T 、换
刀时间为2.7秒(不含刀库转动)、允许的最大刀具长度300mm 、最大刀具质量10kg 、刀具允许最大直径为Φ80mm ，其结构如图3所示。特点如下:
(1)刀库的旋转为电动机拖动(具有电磁制动装
置)，靠电气实现刀库旋转方向(具有近刀功能)、换
刀位置检测及定位控制，结构简单，工作可靠。
(2)机械手换刀采用先进的凸轮换刀结构，实现电气和机械联合控制。
(3)倒刀控制采用气动控制，通过气缸的磁环开关检测控制。
(4)全机械式换刀，避免液压泄漏，降低了故障率。
(5)换刀时间仅为2.7秒，大大地提高了机床工作效率
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。
图3 BT 50-24圆盘式刀库结构简图
1刀库电动机2刀库刀位计数开关3刀库刀位复位开关4刀座5机械手换刀电动机停止开关6机械手扣刀确认开关
7机械手原点确认开关8倒刀确认开关9回刀确认开关10机械手换刀电动机11机械手12圆柱凸轮
13杠杆14锥齿轮15凸轮滚子16主轴箱17十字轴18刀套
2.2 自动换刀气动控制系统
自动换刀气动控制系统的主要控制内容为：刀库刀具倒刀和回刀控制；主轴吹气控制。
该系统的特点为：气源容易获得、反应速度快、动作迅速、维护方便、管路不易堵塞、不易发生过载，还可以用于降温。工作压力较低，空气压缩比大，故输出功率低。系统如图4所示。
选用的气源压力为0.5M Pa ，因此气源压力应至少恒为0.6M Pa 以上。主轴吹气回路压设定为0.3M Pa 。刀库倒刀回路压力设定为0.5M Pa 。三联件的调整：调节压力时首先将调节手轮拨至调节位置，转动手轮至所需要的压力(0.5M Pa )，然后垂直压下，锁定手轮，保持压力稳定。2.3 自动换刀液压控制系统
液压系统工作平稳可靠、易于调节、传动介质为高压力的油性介质，因此适合大功率输出的系统。加工中心换刀控制液压系统主要用于实现主轴退刀控制，亦可也用于机械手的换刀控制，由于该加工中
心采用的是三相交流电机直接驱动机械手，所以液压系统仅用于主轴退刀的控制。系统原理图如图5所示。2.4 自动换刀电气控制系统自动换刀电气控制系统与上述各个系统配合，主要实现的控制内容有:(1)换刀机械手电动机控制;(2)刀库电动机正反转控制;(3)主轴退刀控制;(4)刀库倒刀控制;(5)刀库回刀控制;(6)主轴吹气控制;(7)主轴准停控制。
相关控制信号：主要输入信号:(1)主轴刀具夹紧确认信号;(2)主轴刀具松开确认信号;(3)刀库倒刀确认信号;(4)刀库回刀确认信号;(5)刀库计数及定位信号;(6)刀库原点确认信号;(7)换刀机械手扣刀确认信号;(8)换刀机械手原点确认信号;(9)换刀机械手电机停止控制信号;(10)换刀机械手电机和刀库电机保护开关信号。除了上述输入信号之外，在机床上各种用于手动控制刀库转位、回参考点、倒刀与回刀、主轴松刀等开关信号在此没有列出。
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武汉工程职业技术学院学报 2009.1
主要输出信号:(1)刀库电机正转控制信号;(2)刀库电机反转控制信号;(3)刀库倒刀控制信号;(4)刀库回刀控制信号;(5)换刀机械手电动机控制信号;(6)主轴退刀控制信号等
电气控制系统各控制功能的实现，还必须依赖于PMC编程，由于这部分篇幅过长，所以不赘述。
3 自动换刀动作过程及控制原理dsp解密
加工中心自动换刀的动作过程步骤多，内部控制原理复杂，且在不同的条件下，换刀动作过程并不完全一致。其换刀功能的正常实现是与上述各个系统的正常工作紧密相连，同时还与用户编写的PMC 程序，设置的PMC参数和系统参数密切相关，这其中的任何一个环节出了问题，都有可能导致换刀故障。
下面结合图6，对其换刀过程和换刀控制原理进行详细说明。
⑴程序执行到选刀指令T代码时，系统通过方向判别后，控制刀库电动机1正转或反转，刀库中刀位计数开关2开始计数(计算出到达换刀点的步数)，当刀库上所选的刀具转到换刀位置后，刀库电动机立即停转，完成选刀定位控制。如图6(a)所示。
⑵当T代码执行后，倒刀电磁阀线圈得电，气缸推动选刀的刀套向下翻转90°(倒下)，倒刀确认开关8发出信号，完成倒刀控制，这个信号还是交换
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朱文艺 张庆乐：数控加工中心自动换刀机构动作过程及控制原理研究
刀具的开始信号。如图6(b )所示。
⑶执行到交换刀具指令，交换刀具指令一般为M06(实际上是调用换刀子程序)，首先主轴自动返回换刀点(一般是机床的第二参考点)，且实现主轴准停，然后换刀电机10起动运行，通过锥齿轮14，凸轮滚子15、十字轴17带动机械手从原位逆时针旋转60°，进行机械手抓刀控制，当机械手扣刀确认开关6发出到位信号后，换刀电动机10立即停止，主轴刀具夹紧松开。如图6(c )所示。
⑷主轴刀具松开后，换刀电动机10起动运行，通过圆柱凸轮12、十字轴13带动机械手下降，进行拔刀控制，机械手完成拔刀后，换刀电动机10继续运转，连续完成一下个换刀动作。如图6(d )所示。
⑸当机械手完成拔刀控制后，通过锥齿轮14、凸轮滚子15、十字轴17带动机械手逆时针旋转180°，使主轴刀具与刀库刀具交换位置。然后通过方便盒
圆柱凸轮12、杠杆13使机械手上升，把交换后的刀具插入主轴锥孔和刀库的刀套中。机械手完成插刀后，换刀电动机停止开关5发出信号使电动机立即停止。刀具插入主轴锥孔后，刀具的自动夹紧机构夹紧刀具。如图6(e )所示。
⑹当机械手扣刀确认开关6再次接通后，换刀电动机10起动运行，通过锥齿轮14、凸轮滚子15、十字轴17带动机械手顺时针转动60°，回到机械手原点位置。机械手原位到位开关7接通后，换刀电
动机10立即停止，如图6(f )所示。
⑺当机械手回到原位后，机械手原位到位开关7(接近开关)接通，回刀电磁阀线圈获电，气缸推动刀套向上翻转90°，为下一次选刀做准备。回刀确认开关9接通，完成整个换刀控制，如图6(g )、6(h )所示。
4 自动换刀控制子程序
对于加工中心的操作者来说，要实现换刀，只需要在加工程序中使用T 指令来指定将要更换到主轴上的刀具号，然后以M06指令控制加工中心完成换刀动作。
而对于数控机床来说，大多数辅助控制功能(M )指令的执行都是与具体的机床密切相关的，也就是说，相同的M 指令在不同的机床上的作用可能不相同。除了我们常见的一些M 指令，大家都约定俗成了之外，很多辅助功能M 代码并不是标准的指令，为此在本加工中心中，我们参照其它机床作以下规定:
M06:A TC 换刀;M19：主轴定向;M20：刀套倒
刀;M21：刀套回刀;M22：机械手动作。
执行M06的时候，机床要完成一系列的换刀动作，这个过程很复杂。在该加工中心上，执行M06的时候，实际上是在调用一个换刀子程序
。
图6 机械手换刀动作分解图
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在FANUC 0i MB 系统中，参数No.6071～No.6079是用来设定调用子程序的M 代码，而上述每一个参数号与一个固定的子程序号一一对应。例如，向参数6071里设置一个常数6(即M06)，参数6071与子程序号O9001对应，则在CNC 执行M06指令时就会自动调用O9001子程序。
在本加工中心上，将参数No.6071的值设成6，将换刀子程序程序号写为O9001并存储在数控系统中即可。该子程序如下:
O9001
G40G49 /取消刀补M05 /主轴准停G91G28Z0 G28X0G28Y0
/回第二参考点
M19 /主轴准停M20 /刀套倒刀M22 /机械手动作M05
M21 /刀套回刀G90M99
由上述程序可见，换刀子程序其实是将换刀过
程中的动作进行分解，依据换刀动作的顺序，通过执行不同的指令来实现换刀动作控制，而其中的各M 指令的含义及其控制功能的实现，是由PMC 程序决定的。
5 结束语
数控加工中心的自动换刀控制功能的实现是非
常复杂的，因为这关系到机、电、液、气四个方面的控制。数控加工中心的A TC 是一个典型的机、电、液、气一体化控制系统。只有对该系统动作过程和控制原理进行深入分析，才能保证加工中心的正常使用和维护，避免将加工中心当普通数控机床使用的尴尬。
参考文献
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程技术,2004,(33)4:73-74.
[2] 刘永久.数控机床故障诊断与维修技术[M ].北京：机械工业出
版社,2007.
Study of Action Process and Control Principle of
CNC Machining Center ’s ATC
ZHU Wenyi ZHAN G Qingle
Abstract :A certain CNC machining center is exemplified to int roduce tool storage ,A TC manip ulator ,
p neumatic system ,electrical system and hydraulic system.The paper focuses on description of A TC action p rinciple and cont rol p rocess.
K ey w ords :CNC machining center ;A TC ;A TC subp rogram
(责任编辑：栗 晓)
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