基于VMCH850数控加工中心斗笠式刀库电气控制优化设计

秦晓阳

（湖北工业大学，湖北武汉 430068）

0 引言

数控加工中心配备刀库是其与普通数控机床的最大区别，它能实现快速自动换刀，省去数控机床传统换动刀时每次都需要手动换刀及再次对刀过程，从而大大提高了零件加工的效率及质量。数控加工中心刀库一般分为斗笠式刀库和凸轮式刀库，换刀方式相对应为固定换刀和随机换刀[1]。当前数控加工中心斗笠式换刀过程还存在一些问题待改进，本文重点介绍电气控制优化设计思路和方法。

1 固定换刀动作过程

根据主轴有无刀、换刀和取刀功能状态，固定换刀动作过程可分为四种情况[2]。

第一种为指令取刀号为主轴上刀号，换刀动作不执行，换刀结束。

第二种为主轴无刀，指令直接取刀。执行换刀指令后，Z轴执行机械回零，主轴定向，刀库前进右位，主轴松刀，刀库旋转到指令取刀号位，Z轴下降到第二参考点，夹紧刀具，刀库回退左位，换刀结束。

第三种为主轴有刀，指令直接还刀。执行还刀指令后，Z轴直接回到第二参考点，主轴定向，刀库前进右位，主轴松刀，Z轴回第一参考点，主轴紧刀，刀库回退左位，换刀结束。

第四种为主轴有刀，指令要取刀库上的刀。执行换刀指令后，Z轴直接回到第二参考点，主轴定向，刀库旋转到主轴上刀号位，刀库前进右位，主轴松刀，Z轴回第一参考点，刀库旋转到指令取刀号位，Z轴回到第二参考点，主轴紧刀，刀库回退左位，换刀结束。

2 换刀过程存在的问题

换刀过程由PMC控制及刀库表记录数据，规范操作及运行情况下，整个斗笠式刀库换刀过程都能正常运行，但如果有人为操作失误或外界电源因素干扰，就可能出现换刀混乱故障[3]。例如缺乏主轴上有无刀的判别。如果不对主轴上是否有刀进行判别，此时主轴上已有刀，这时PMC刀库表是记录了该刀号数据的，但如果人为取下该刀，会导致PMC刀库表数据跟实际的对应不上，PMC还是会认为刀具在主轴上，这就会让整个换刀过程出现混乱[4]；但如果是取下主轴上刀后又手动换上其他刀具，会导致现在的刀具跟原来PMC刀库表记录的数据对应不上，严重时可能出现主轴上刀柄跟刀库上刀柄相碰撞的严重事故，造成主轴、刀具、刀库和机械卡手损坏。

3 电气控制优化设计

数控加工中心主轴箱如图1所示，主要由主轴电机、打刀缸、主轴轴体和传动机构构成[5]。打刀缸通气下压时，主轴拉爪松开，实现主轴松刀功能；打刀缸断气回位时，主轴拉爪收紧，实现主轴紧刀功能[6]。

为了实现主轴有无刀判别，在电路设计中加入红外线发射器和接收器，如图2所示。当主轴上无装刀具时，主轴拉杆伸出长度会比较长，这时红外线发射器发射的信号会被主轴拉杆挡回，接收器收不到信号，输出低电平到PMC端，经过PMC编程，判断主轴上无刀状态[7]。

当主轴上装有刀具时，如图3所示。此时主轴拉爪抓住刀具，主轴拉杆会比原先下降一小段距离[8]，这时红外线发射器发射的红外线刚好穿过主轴拉杆上方，接收器收到信号，输出高电平到PMC端，经过PMC编程，判断主轴上有刀状态。

图3 主轴有刀电气判别图

图2 主轴无刀电气判别图

4 PMC编程设计

把红外线接收器信号输出端连接PMC的X10.0输入端[9]，当主轴有刀时，红外线接收器输出高电平，X10.0为高电平，开关闭合，从而输出中间继电器R510.0，告诉数控系统主轴装上刀了，同时R510.0触动闭合，输出Y10.0，在控制面板上显示主轴有刀灯亮。如果主轴无刀，红外线接收器发送低电平到达X10.0,R510.0为低电平，系统得到主轴无刀信号，同时Y10.0无输出，控制面板上主轴有刀灯灭[10]。（PMC程序如图4所示）。

图4 主轴有无刀PMC程序图

5 结语

刀库电路经过优化设计后，在实际应用中效果良好，换刀过程更加稳定可靠，避免了换刀过程中PMC刀库数据与实际数据不相符的情况，从而避免了刀撞刀等严重事故的发生，为高效率高质量的零件加工生产提供了有力的保障。

参考文献：

［1］卢勇，陈岸雨.圆盘式刀库控制逻辑分析［J］.金属加工（冷加工），2012（10）：50-51.

［2］黄泽正，刘冲，陈志辉.加工中心自动换刀装置的设计［J］.机械工程与自动化，2007（01）：124-125.

［3］张国斌，杨伯金.圆盘刀库自动换刀系统设计［J］.机械制造，2014（07）：76-79.

［4］黄祖平.数控铣床加装自动换刀的刀库装置［J］.机电工程技术，2013（08）：172-175.

［5］李隽，徐宏海，鲍秋辉，等.数控加工中心自动换刀系统及控制实现［J］.电气制造， 2010（12）：70-73.

［6］谭光恒.大型刀库及自动换刀装置的研制［J］.机械工程师，2010（07）：40-41.

［7］张宇，夏晓平.斗笠式刀库的容刀量与分度装置的运动分析［J］.机械工程师，2009（01）：35-36.

［8］王刘成，杨晋萍，裘虹.基于宏程序和PMC控制的斗笠式刀库换刀的实现［J］.电子世界，2012（19）：12-15.

［9］屠春娟.PMC在盘式刀库自动换刀控制中的研究［J］.广西轻工业，2009（05）：35-36.

［10］杨中力.使用PMC轴功能实现对加工中心刀库的控制［J］.电子测试， 2016（15）：134-135.