對數(shù)控機(jī)床所用盤式刀庫的換刀時間的研究

史佳兆

（廣州珠江機(jī)床廠有限公司，廣東 廣州 511450）

由于目前盤式刀庫在機(jī)床制造行業(yè)的大量應(yīng)用，并且盤式刀庫的換刀時間直接影響機(jī)床的使用性能，也是客戶選擇機(jī)床的一個重要指標(biāo)，所以很有必要對盤式刀庫的換刀時間進(jìn)行研究，使刀庫的使用性能盡大的發(fā)揮出來，縮短刀庫換刀時間，增加機(jī)床產(chǎn)品的競爭優(yōu)勢。

1 換刀時間的評定方法[1]

目前自動換刀的評定時間主要有以下三種：

（1）刀到刀時間：指拔刀，換刀，插刀動作所需要的時間[2]。

（2）全部動作所需要的時間：即換刀裝置完成全部換刀動作所需要的時間總和。

（3）切削到切削時間：即“一把刀具從加工區(qū)內(nèi)的參考位置起經(jīng)換刀至下一把刀具到達(dá)相同的位置的時間間隔”。

此文章主要是針對換刀時間評定方法2所做的研究，即自刀套翻下經(jīng)過抓刀，松刀，拔刀，換刀，插刀，拉刀，手臂復(fù)位，刀套翻上等動作所需時間的總和。

2 研究方法

本研究利用FANUC數(shù)控系統(tǒng)的信號跟蹤功能[3]，對所編制的刀庫控制PLC梯形圖進(jìn)行監(jiān)控及時序跟蹤，然后對監(jiān)控的結(jié)果進(jìn)行分析研究，進(jìn)而得出結(jié)論。

3 實(shí)施過程及結(jié)果

3.1 研究設(shè)備選用

研究以德大快速刀庫DF-MR4AEZR02A01-01為研究對象，以配有FANUC 0i-mate-MD系統(tǒng)的立式加工中心為平臺，利用CF存儲卡為存儲介質(zhì)。

3.2 研究過程

（1）明確換刀流程，將CF存儲卡插入準(zhǔn)備好的數(shù)控系統(tǒng)接口，將提前編制好的PLC梯形圖程序輸入加工中心數(shù)控系統(tǒng)。

（2）試機(jī)，進(jìn)行多次相關(guān)檢測運(yùn)行，并編制好換刀程序，進(jìn)行多次換刀檢測，保證機(jī)床可以正常使用。

（3）將相關(guān)需要檢測的信號在信號跟蹤設(shè)定畫面進(jìn)行設(shè)定。

（4）在不監(jiān)控跟蹤信號的情況下，執(zhí)行一次換刀動作，保證主軸已經(jīng)在換刀位置且已在定向位置，不再移動坐標(biāo)軸及轉(zhuǎn)動主軸，以免增加輔助動作對換刀動作時序監(jiān)控的影響。

（5）選擇當(dāng)前刀套號中的刀具，保證刀庫不再轉(zhuǎn)動；執(zhí)行換刀程序，并啟動信號跟蹤監(jiān)控。

（6）待換刀動作結(jié)束，停止信號跟蹤，即可得到換刀動作跟蹤時序圖,通過屏幕下方軟件調(diào)整畫面，可得圖形如下:

圖1 盤式刀庫換刀動作時序監(jiān)控圖

信號說明：

Y4.3為刀套倒刀輸出信號；

X6.0為刀套倒出檢測信號；

Y4.4為刀套回刀輸出；

X5.7為刀套倒刀輸出；

R0311.0為換刀機(jī)構(gòu)原位檢測信號；

Y4.2為換刀機(jī)構(gòu)刀臂運(yùn)轉(zhuǎn)信號；

Y3.3為主軸松刀信號；

X8.0為刀具松開檢測信號；

X8.1為刀具夾緊檢測信號。

圖形說明：

圖中白色的方格表示信號“1”，黑色的方格表示信號“0”；

1個小方格的分辨率是128ms；（注：數(shù)控系統(tǒng)平臺上可以顯示達(dá)到8ms）；

（7）將圖形輸出，存檔。

4 圖形分析

4.1 計(jì)算分析

（1）實(shí)際換刀動作總時間，即從刀套倒下開始的，那么可利用信號X5.7(刀套水平信號)來計(jì)算整個換刀動作所用的時間，即X5.7為0的時間即為換刀動作的總時間，那么我們可以利用圖形計(jì)算出總時間T總=128×27=3.456 s；

（2）理想換刀總時間，即為刀臂在換刀指令發(fā)出就開始不中斷運(yùn)行直到換刀動作完成，此過程中換刀開始時候刀套已經(jīng)提前倒下，扣刀的時候刀具剛好松開，而且動作結(jié)束時候不用等待刀套倒回。那么可利用Y4.2(刀臂運(yùn)轉(zhuǎn)信號)來計(jì)算理想換刀時間，T理想=128×（2+6+2）=1.28 s；

（3）刀臂運(yùn)轉(zhuǎn)前等待時間：從圖1中可以看出，從Y4.3(刀套倒下信號)發(fā)出，即換刀指令執(zhí)行到Y(jié)4.2(刀臂運(yùn)轉(zhuǎn)信號)執(zhí)行，T倒下=128×6=0.768 s；

（4）刀臂拔刀前等待松刀時間，即為Y4.2(刀臂運(yùn)轉(zhuǎn)信號)第一段的停止時間，T松刀=128×4=0.512 s；

（5）刀臂插刀后等待緊刀的時間：從圖1中可以看出，等待緊刀時間即為Y4.2(刀臂運(yùn)轉(zhuǎn)信號)，則第二段的停止時間T緊刀=128×2=0.256 s；

（6）刀臂動作完成后換刀指令完成前等待刀套回刀的時間，即為從Y4.2(刀臂運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束信號)結(jié)束到X5.7(刀套水平信號)出現(xiàn)這一段時間，則T倒回=128×7=0.896 s。

4.2 計(jì)算分析結(jié)果

從圖形分析來看：刀套的動作（包括刀套倒下與刀套倒回），是主要影響換刀流程時間的主要因素之一，其次是主軸松拉刀動作時間。

5 刀庫換刀時間的優(yōu)化措施

從以上分析得出，影響換刀動作的主要因素之一是刀套的動作時間，那么我們可以在控制時序上進(jìn)行改進(jìn)，即在主軸移動到換刀點(diǎn)的同時執(zhí)行倒刀操作，在刀臂執(zhí)行完換刀動作后就結(jié)束換刀指令，之后刀套倒回，主軸加工不受干擾，即可節(jié)省換刀時間T，則T節(jié)刀套=T倒下+T倒回=0.768 s+0.896 s=1.664 s。

影響換刀時間的主要因素之二是松拉刀時間，從圖中可以看出在刀臂結(jié)束后，刀具才開始松刀，拔刀前刀臂需要等待松刀動作，如果我們在刀臂還沒到達(dá)扣刀點(diǎn)前提前松刀，那么換刀的時間也是可以減少的，但此方法需要多次試驗(yàn)，如果時間配合不好就可能發(fā)生危險(xiǎn)；其次還有刀臂插刀之后等待拉刀的時間，由于裝刀方式的限制，此時間只能取決于打刀缸的動作時間，所以要想提高刀換刀時間，選擇合適的打刀機(jī)構(gòu)也是很重要。如果松刀可以配合的很好，那么即可節(jié)省松刀時間T節(jié)松=0.512 s。

6 結(jié)束語

通過此次研究可以發(fā)現(xiàn)影響刀庫換刀時間的主要因素，從而提出優(yōu)化措施，進(jìn)而得知相同的刀庫不同的邏輯，刀庫的換刀時間相對來說相差很大，所以準(zhǔn)確的了解刀庫的換刀動作時序，合理地編制控制邏輯，可以幫助我們更好的控制刀庫，節(jié)省換刀時間，從而可以提升刀庫的使用性能，同時也可以提升產(chǎn)品的競爭力。

[1]廖里仁.加工中心換刀裝置換刀時間評定方法探討[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2000，(10):7-8.

[2]王科社，盛伯浩.加工中心換刀裝置換刀時間評定方法探討[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2001，(04):44-46.

[3]FANUC SERIES OI-MATE-MODEL D，維修說明書[Z].B-64305CM/01):229-2378.