基于数控铣床加装刀库的技术研究

温学勇

（苏州大学机电工程学院，江苏苏州 215137）

基于数控铣床加装刀库的技术研究

温学勇

（苏州大学机电工程学院，江苏苏州 215137）

早期的数控铣床由于不能自动换刀，一把刀加工完成后，需要人参与，把主轴上的刀卸下来，再将下把需要加工用的刀装上去，再去对刀，再调用相关程序继续加工……这样，不仅提高了人的工作强度，加大了出错的几率，而且更严重影响了加工效率。给数控铣床加装自动换刀装置，换刀动作自动完成，效率高，稳定性好，在许多企业得到了应用。从一台数控铣床着手，从硬件准备、机械安装、电路设计、NC和PMC程序编制等方面完整说明一台数控铣床加装刀库的过程。

自动换刀；PMC；选刀

某企业几年前买了一台数控铣床，随着时间的推移，感到越来越不能适应生产的需要，淘汰掉有点可惜，于是决定请笔者给他们增添自动换刀功能。他们的系统是FANUC 0I-MC，机床也有安装相关硬件的空间。

1 材料准备

（1）圆盘式40#-24T自动换刀机构。该机构由换刀机构、刀库本体和换刀臂组成。刀具型式：BT40（与原机床对应）；刀库储存刀数：24把（够用）；刀库中心距80cm（机床空间够用）。

（2）交流接触器3只（台湾士林S-P11）。

（3）24V直流继电器6只（制造商：Omron，型号为MY2N-J 24VDC）。

（4）双作用电磁阀1只（SMC）。

2 机械安装

（1）将刀库与支架联接到一起后固定到立柱上。调整刀库，使换刀臂轴线与主轴Z向运动的平行度0.15/300，调整刀库在X、Y向的位置，使刀臂在扣刀位置时，换刀臂与主轴的换刀点的重合[1-2]。

（2）主轴定向设置

可 通 过 调 整 参 数 No.4031和 No.4077 (No.4031：位置编码器方式定向停止位；No.4077：定向停止位置偏移量)来调整主轴定向角度，使刀臂扣刀时（手动刀臂），主轴上的凸块与刀柄上的凹的部位对应。

（3）Z轴第二参考点设置

将主轴移到Z向最高点后将分体刀柄的上体锥柄部分装入主轴孔内并拉紧，同时在换刀臂夹上装上分体刀柄的下体。手动将换刀臂转动到扣刀位置后，下移主轴，使分体刀柄的上体锥柄部与换刀臂上分体刀柄的下体之间的间隙为0.2～0.3 mm之间。记下机床坐标Z值，写到参数No.1241的Z里。

3 相关电路设计

（1）主电路

如图1所示，该电路主要实现自动换刀电路中，负载刀臂电机、刀库电机的转动。其中刀库电机实现正反转，刀臂电机正转。

图1 刀臂、刀库电机主电路

如图2所示，双作用电磁阀控制刀套水平、竖直位置切换，单作用电磁阀控制主轴的松刀、夹刀。3个接触器线圈控制前面电路中的2个电机。

ATC动作可由NC程序和PMC程序组合控制。

图2 电磁阀电路和刀臂、刀库控制电路

4 NC程序编制

（1）设系统参数6071=6（调用O9001子程序的M代码）。

修改参数3202#4设为0；若不让修改，需要先给参数3210中输入密码。

（2）建一新程序

为了提高效率，或者换刀时为了避开夹具，该子程序换刀动作前的换刀位置程序可根据实际情况进行适当修改。

5 PMC程序设计

（1）输入、输出地址设定如表1。设定的地址必须是本来数控铣床没用过的地址。

表1 PMC输入、输出地址分配

（2）PMC接线原理图如图3、图4。

（3）PMC参数设置。

在D寄存区建一数据表。

地址：D0、D1、……D24；（主轴和24个刀套号）。

各地址里数据为：25、1、2、……24；（各刀套里的刀具号，保证不相同）。

图3 PMC输入地址原理图

图4 PMC输出地址原理图

D100地址里数据为在换刀位刀具的刀套号（根据实际情况输入具体刀套号）。

D110地址里的输入数值为24（数据表数据数目）。

D112地址里的输入数值为25（数据表数据数目）。

（4）编制梯形图

整个ATC过程可分为选刀和换刀2个过程。

1）选刀

①选刀过程流程图如图5所示。

图5 选刀流程图

②选刀相关的主要梯形图。

刀库计数、目标刀具检索梯形图如图6所示。

相关指令介绍：

计数器指令CTRC：起初，给D100赋初值（把刀库中最下面刀套号放进D100），当刀套正、反转动时，保证D100里面的值始终是换刀位的刀套号。

数控检索指令DSCHB：把指令目标刀具的刀套号放到R690里。

回转方向判断、刀套一致判断梯形图如图7所示。

图6 刀库计数、目标刀具检索梯形图

图7 回转方向判断、刀套一致判断梯形图

相关指令介绍：

回转控制指令ROTB：刀具旋转最短路径判断，确定刀库是顺时针转还是逆时针转。

图8 换刀流程图

一致性判断指令COIN：指令目标刀具的刀套号与换刀位刀套号是否一致，若一致，则选刀结束。

图9 换刀主要动作梯形图

图10 数控刷新梯形图

2）换刀。刀库当前刀具与主轴刀具通过刀臂互换。

换刀过程是一个顺序动作过程。

①顺序流程图如图8所示。

②换刀主要梯形图：

7步动作梯形图如图9所示[3-4]。

执行M06代码进行换刀，相关负载执行下面7步，具体步骤为图8流程图中7个动作。7步动作依次进行，当前步完成，作为下一步的触发条件，触发下一步，同时断开上一步。

刀具交换后的数据刷新，相关梯形图如图10所示。

换刀后，要求把当前换刀位刀套里的刀号与主轴上的刀号互换。使刀具号数据刷新。相关指令介绍：

二进制变址修改数据传送XMOVE：第一个XMOVE指令读取数据表内D100里的数据（当前刀套号）作为表号的数据（换刀前的刀库当前刀号），写到R0693里；第二个XMOVE指令读取D0000里的数据（换刀前的主轴刀号），写入数据表D100里数据作为表号的地址里。

逻辑乘后数据传送指令MOVE：把R0693里数据写到D0000里。

根据上述电路设计，进行相关电路连接，梯形图的导入，并进行相关参数设置。最后进行换刀动作调试，完善机械安装和电器控制设计。就可以交给厂方验收了。

6 结束语

由于历史的原因，目前，我国有很多数控铣床，它们已经满足不了现在生产的要求。给它们加装ATC，使它们焕发第二次青春，有很大的经济价值。如何经济性地、恰当地给它们加装ATC，是一个值得好好研究的课题，很有研究的必要和价值。

参考主献：

［1］黄道业.加工中心换刀宏程序的优化［J］.机械工程师，2009（11）：119-120.

［2］赵宇智.加工中心凸轮刀臂式换刀装置控制分析及维护［J］.机床电气，2012（4）：31-33.

［3］FANUC 0I MC参数说明书［Z］.FANUC公司，2009.

［4］FANUC-PMC梯形图语言说明书［Z］.FANUC公司，2009.

Technology Research Based on CNC Milling Machine Equipped with a Knife Library

WEN Xue-yong
（Soochow University，Suzhou215137，China）

The early CNC milling machine can not change the knife automatically，after a knife processing，need human involvement，the spindle knife down，then install the next knife need to process，go to settings，and then call the relevant procedures to continue processing.It not only improves the people's work strength，increase the probability of error，but also seriously affects the processing efficiency.For CNC milling machine equipped with automatic tool changer，tool change action automatically，it is high efficiency，good stability，and has been applied in many enterprises.In this paper，a CNC milling machine to proceed，in terms of hardware preparation，mechanical installation，circuit design，NC，PMC programming such as a complete description of the installation of a CNC milling process of the tool magazine.

automatic tool change；PMC；tool selection

TG547

：A

：1009－9492(2014)12－0055－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.12.014

温学勇，男，1974年生，江苏盐城人，大学本科，讲师。研究领域：数控加工与维修。已发表论文8篇。

(编辑：阮 毅)

2014－08－05