FANUC 立式加工中心機械手刀庫設計
2021-1-13 來源： 作者：張偉中 徐志鵬 潘潮輝 徐曉風
摘要：結合企業實際需要，對 FANUC 加工中心用機械手刀庫結構和控制程序進行設計。首先對刀庫機械結構進行設計，然后對換刀過程進行分析，改進換刀流程，運用宏程序和梯形圖結合的編程方式，優化控制換刀過程，節約換刀時間，并給出 FANUC 數控系統 PMC 主要程序。設備調試結果表明：改造后的機械手刀庫使用方便，程序可讀性強，提升了換刀過程的安全性和設備加工效率。
關鍵詞：機械手刀庫；換刀；宏程序；PMC 程序
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控機床，特別適合柔性加工，已成為當今國際機床產業上研究熱點。與刀架和斗笠式刀庫相比，機械手刀庫刀具數量多，換刀速度快且安裝便捷；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。
機械手刀庫結構和控制系統較為復雜，一直是加工中心制造中技術難題，吸引眾多工程技術人員和學者研究。戚洪利研究了自動換刀裝置機械結構和控制系統；梁盈富研究了圓盤式刀庫機械手換刀的控制程序；張繼紅研究了自動換刀機械手控制系統。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。
以企業用 FANUC 立式加工中心刀庫結構和控制系統改造設計為例，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開關、凸輪、錐齒輪、杠桿、凸輪滾子組成。針對企業設備實際需要，本次設計一臺單臂雙爪回轉式機械
手刀庫。
2 、機械手刀庫的設計要求
機械手刀庫驅動方式一般分為普通電機驅動、伺服電機驅動、液動驅動等，為使刀庫符合加工中心的加工需求，本次設計以普通電機為例，對刀庫設計進行分析，確保刀庫運行可行。其中，轉速為 3000 r/min，配合減速器使用為 200 r/min。結合電機驅動條件，計算出立式加工中心自動換刀裝置轉矩 T（扭矩公式：T=9550P/n），其中 T=47.75 N·m，刀庫轉動軸功率及轉速分別為 200 W，600 r/min，為使設計精度得以提升，其圓柱齒輪轉轉動之比（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。聯軸器效率為 η=0.99，η=0.995 為滾動軸承效率，齒輪轉動效率為 η=0.997。經計算各軸轉矩分別為 136.14 N·m、525.58 N·m，依據公式 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，經計算刀庫設計強度滿足立式數控加工中心自動換刀裝置設計需求。
運用三維繪圖軟件 Solid Work 設計刀庫機械結構，運用虛擬仿真技術模擬刀庫的動作過程，為加工作準備，如圖 1 所示。
圖 1 機械手刀庫結構
3 、機械手刀庫換刀過程
機械手臂式換刀最大的優點在于可以隨機換刀還刀，無需刀套和刀號一一對應，當數控系統檢測到 M06 調用的宏程序和T 選到脈沖信號的時候，機械手開始動作。首先主軸實現“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，是靠參數來設置的；接下來刀庫里面的刀盤開始旋轉，旋轉的停止位置就是當前所輸入的M6 TXX，他在平行于換刀點位置停止；然后當前刀套倒下，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；主軸由緊刀狀態變成松刀狀態，這時的機械手繼續動作，機械手會向下運動，運動到一定的位置時，機械手旋轉 180°，來實現刀具的交換。
機械手臂實現刀臂交換之后，主軸由松刀狀態轉為緊刀狀態，這時機械手動作回到初始狀態，換刀流程如圖 2 所示。
圖 2 換刀流程
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 程序控制實現全部動作；二是由 PMC程序實現單步動作，而由宏程序實現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，分析和調試程序也方便，所以本設計，換刀程序選用宏程序方式編制。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，可先發出選刀指令完成選刀，在需要換刀的工步再行執行換刀，這樣可以節約換刀時間。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
4.2 M 代碼含義
4.3 宏程序代碼
5、PMC 程序設計與調試
5.1 主要程序說明
采用 FANUC 0i-MD 數控系統，進行 PMC 程序編制。
主要程序功能指令說明如下：當在 MDI 或者自動運行時，輸入 M06 TXX，T 指令執行，在PMC 程序中 F7.3 發出選通脈沖信號，如圖 3 所示。
圖3 T脈沖信號
當 T 發出脈沖信號時，開始在 PMC 程序中進行檢索刀號，如圖 4 所示。
圖 4 T 數據檢索
當檢索到所選刀號的時候，通過計數器來判斷，如圖 5所示。
圖 5 計數器
刀庫旋轉的時候，刀庫計數器也在一直運行，當 ROTB 指令在尋找刀號時，計數器在一直判斷，直到所選刀號等于當前刀號，如圖 6 所示
圖 6 ROTB 選刀指令
5.2 調試說明
加工中心機械手刀庫機械結構和電氣安裝完成后，進行PMC 程序調試。 在運行調試機械手刀庫之前，需要先設置好數控機床的參考點，以及第二參考點（即換刀點），換刀點需要手動調試
。當調整好換刀點后，空刀情況下模擬有刀運行，當確保無誤之后，進行正常換刀。
6 、結束語
（1）設計一款適用于加工中心機械手刀庫，并設計制作三維模擬動畫的結構圖，在分析研究基礎上，設計改進機械手刀庫的換刀流程。
（2） 設計加工中心機械手刀庫 PMC 程序，并在設備上安裝調試運行正常。該加工中心改造后經企業使用半年，實踐表明系統運行狀況良好，可靠性高；機械手刀庫控制系統的改進提高加
工效率，提升企業經濟效益，為其他同類加工中心機械手刀庫設計提供參考案例。
來源：
1.浙江機電職業技術學院自動化學院
2.浙江理工大學機械與自動控制學院
3.杭州空靈智能科技有限公司
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