FANUC 立式加工中心机械手刀库设计

张伟中，徐志鹏，潘潮辉，徐晓风

（1.浙江机电职业技术学院自动化学院，浙江杭州 310053；2.浙江理工大学机械与自动控制学院，浙江杭州 310018；3.杭州空灵智能科技有限公司，浙江杭州 310011）

0 引言

加工中心是指具备刀库，有自动换刀能力，对零件一次安装后可以进行多道工序加工的数控机床，特别适合柔性加工，已成为当今国际机床产业上研究热点[1-3]。与刀架和斗笠式刀库相比，机械手刀库刀具数量多，换刀速度快且安装便捷[4-5]；与链式刀库相比，占用体积空间小，成为了加工中心上刀具装置首选[6]。机械手刀库结构和控制系统较为复杂，一直是加工中心制造中技术难题，吸引众多工程技术人员和学者研究。戚洪利[7]研究了自动换刀装置机械结构和控制系统；梁盈富[8]研究了圆盘式刀库机械手换刀的控制程序；张继红[9]研究了自动换刀机械手控制系统。随着加工中心切削速度的提高，切削时间的不断缩短，对换刀时间的要求也越来越高，换刀的速度已成为高精度加工中心的一项重要指标[10]。

以企业用FANUC 立式加工中心刀库结构和控制系统改造设计为例，研究了机械手刀库换刀速度提升问题，进而提升加工效率。

1 机械手刀库基本组成

机械手刀库主要由刀盘、刀夹、升降气缸、刀库电机、机械臂、刀库信号和刀库计数开关、凸轮、锥齿轮、杠杆、凸轮滚子组成。针对企业设备实际需要，本次设计一台单臂双爪回转式机械手刀库。

2 机械手刀库的设计要求

机械手刀库驱动方式一般分为普通电机驱动、伺服电机驱动、液动驱动等，为使刀库符合加工中心的加工需求，本次设计以普通电机为例，对刀库设计进行分析，确保刀库运行可行。其中，转速为3000 r/min，配合减速器使用为200 r/min。

结合电机驱动条件，计算出立式加工中心自动换刀装置转矩T（扭矩公式:T=9550P/n），其中T=47.75 N·m，刀库转动轴功率及转速分别为200 W，600 r/min，为使设计精度得以提升，其圆柱齿轮转转动之比（nm/i1、nm/i2）中i 的取值范围控制在3 至5 之间，本次计算取平均值4。联轴器效率为η=0.99，η=0.995 为滚动轴承效率，齿轮转动效率为η=0.997。经计算各轴转矩分别为136.14 N·m、525.58 N·m，依据公式dmin=A03 计算自动换刀装置轴最小直径分别为dmin1=42.65 mm，dmin2=39.84 mm，经计算得出齿轮重要几何尺寸为:d1=m，z1=84 mm，d2=m，z2=268 mm，a=m/2(z1+z2)=176 mm，b=Фd，d1=58.8 mm，经计算刀库设计强度满足立式数控加工中心自动换刀装置设计需求。

运用三维绘图软件SolidWork 设计刀库机械结构，运用虚拟仿真技术模拟刀库的动作过程，为加工作准备，如图1 所示。

图1 机械手刀库结构

3 机械手刀库换刀过程

机械手臂式换刀最大的优点在于可以随机换刀还刀，无需刀套和刀号一一对应，当数控系统检测到M06 调用的宏程序和T 选到脉冲信号的时候，机械手开始动作。

首先主轴实现“主轴定位”，能准确无误的使刀具插入或拔出主轴；然后Z 轴开始下降，下降的位置就是将要换刀的位置，也称“换刀点”，这个换刀的位置，是靠参数来设置的；接下来刀库里面的刀盘开始旋转，旋转的停止位置就是当前所输入的M6 TXX，他在平行于换刀点位置停止；然后当前刀套倒下，再然后机械手开始动作；机械手的一端扣住倒下刀套的刀柄，另一端扣住主轴处的刀柄；主轴上方的气缸开始工作；主轴由紧刀状态变成松刀状态，这时的机械手继续动作，机械手会向下运动，运动到一定的位置时，机械手旋转180°，来实现刀具的交换。机械手臂实现刀臂交换之后，主轴由松刀状态转为紧刀状态，这时机械手动作回到初始状态，换刀流程如图2 所示。

4 宏程序使用

目前加工中心机械手刀库有两种类型的换刀程序的编制:一是由PMC 程序控制实现全部动作；二是由PMC程序实现单步动作，而由宏程序实现换刀动作的顺序部分。由于宏程序的编程简单，尤其是可以方便的进行条件判断，改变程序的流程，分析和调试程序也方便，所以本设计，换刀程序选用宏程序方式编制。

图2 换刀流程

机械手刀库的换刀分解为两部分，第1 部分为换刀。在实际加工过程中，可先发出选刀指令完成选刀，在需要换刀的工步再行执行换刀，这样可以节约换刀时间。具体宏程序编制说明如下。

其中，变量功能#1000～#1015 把16 位信号从PMC 送到用户宏程序；变量#1000 到#1015 用于按位读取信；#1032 号。变量#1032 用于一次读取一个16 位信号；变量功能#1100～#1115把16 位信号从用户宏程序送到PMC；变量#1100 到#1115 用于按位写信号；#1132 变量#1132 用于一次写一个16 位信号；变量#1133 用于从用户宏程序一次写一个32 位的信号到PMC。注意:#1133 的值为从-99999999 到+99999999。

4.1 宏变量解释

#1000（G54#0）:T 代码检索完成，刀旋转结束，等待换刀

#1001（G54#1）:刀库和主轴数据更新结束

#1002（G54#2）:T 代码等于主轴上刀号，换刀结束

#1100（F54#0）:Z 轴回到换刀点（参数1241），上轴定向完成（等待刀套倒卜动作）

#1101（F54#1）:换刀动作结束（数据表更新等待）

#1102（F54#2）:换刀机构动作完成

#1103（F54#3）:换刀开始标志位

4.2 M 代码含义

M06:呼叫O9001 号换刀子程序

M19:主轴准停

M41:主轴刀具松开

M42:主轴刀具夹紧

M43:刀套下（倒刀）

M44:刀套上（回刀）

M45:换刀马达第一次启动（扣刀）

M46:换刀马达第二次启动（拔刀插刀）

M47:换刀马达第三次启动（回零）根据具体

4.3 宏程序代码

O9001;

N1 #1103=0 换刀开始标志

N2 IF［#1002EQ1］GOTO19 T与主轴刀号

N3 G91G30P2Z0 回第二参考点

N4 M19 主轴定向

N5 #1100=1 换刀位置，定向完成，置位

N6 IF［#1000EQ1］GOTO8 检索完跳到N8

N7 GOT O4 检索未完成跳到N4

N8 M43 刀套倒下

N9 M45 扣刀

N10 M41 主轴松刀

N11 M46 拔刀插刀

N12 M42 主轴刀具卡紧

N13 M47 刀臂回原位

N14 #1102=1 换刀完成标志1

N15 M44 刀套上命令

N16 #1101=1 数据表交换指令，数据交换

N17 IF［#1001EQ1］GOTO 19 数据交换结束，跳到N19

N18 GOTO 15 数据交换未完成跳到N15

N19 #1100=0 恢复标志位初始化状态

N20 #1101=0

N21 #1102=0

N22 #1103=1

N23 M99

5 PMC 程序设计与调试

5.1 主要程序说明

采用FANUC 0i-MD 数控系统，进行PMC 程序编制。主要程序功能指令说明如下:

当在MDI 或者自动运行时，输入M06 TXX，T 指令执行，在PMC 程序中F7.3 发出选通脉冲信号，如图3 所示。

当T 发出脉冲信号时，开始在PMC 程序中进行检索刀号，如图4 所示。

当检索到所选刀号的时候，通过计数器来判断，如图5所示。

刀库旋转的时候，刀库计数器也在一直运行，当ROTB 指令在寻找刀号时，计数器在一直判断，直到所选刀号等于当前刀号，如图6 所示。

图3 T 脉冲信号

图4 T 数据检索

图5 计数器

图6 ROTB 选刀指令

5.2 调试说明

加工中心机械手刀库机械结构和电气安装完成后，进行PMC 程序调试。在运行调试机械手刀库之前，需要先设置好数控机床的参考点，以及第二参考点（即换刀点），换刀点需要手动调试。当调整好换刀点后，空刀情况下模拟有刀运行，当确保无误之后，进行正常换刀。

6 结束语

（1）设计一款适用于加工中心机械手刀库，并设计制作三维模拟动画的结构图，在分析研究基础上，设计改进机械手刀库的换刀流程。

（2）设计加工中心机械手刀库PMC 程序，并在设备上安装调试运行正常。该加工中心改造后经企业使用半年，实践表明系统运行状况良好，可靠性高；机械手刀库控制系统的改进提高加工效率，提升企业经济效益，为其他同类加工中心机械手刀库设计提供参考案例。