FANUC 立式加工中心机械手刀库设计
2021-1-13 来源： 作者：张伟中 徐志鹏 潘潮辉 徐晓风
摘要：结合企业实际需要，对 FANUC 加工中心用机械手刀库结构和控制程序进行设计。首先对刀库机械结构进行设计，然后对换刀过程进行分析，改进换刀流程，运用宏程序和梯形图结合的编程方式，优化控制换刀过程，节约换刀时间，并给出 FANUC 数控系统 PMC 主要程序。设备调试结果表明：改造后的机械手刀库使用方便，程序可读性强，提升了换刀过程的安全性和设备加工效率。
关键词：机械手刀库；换刀；宏程序；PMC 程序
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。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；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。
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。戚洪利研究了自动换刀装置机械结构和控制系统；梁盈富研究了圆盘式刀库机械手换刀的控制程序；张继红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。
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 Solid Work 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。
图 2 换刀流程
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。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
4.2 M 代码含义
4.3 宏程序代码
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。
图3 T脉冲信号
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。
图 4 T 数据检索
当检索到所选刀号的时候，通过计数器来判断，如图 5所示。
图 5 计数器
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 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。
来源：
1.浙江机电职业技术学院自动化学院
2.浙江理工大学机械与自动控制学院
3.杭州空灵智能科技有限公司
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