鋁合金缸蓋加工中心刀庫固定地址換刀分析

王 雷

（利勃海爾(中國)有限公司，上海 200131）

刀庫自動換刀系統技術使得傳統意義上的機床得以復合成為現代加工中心。機械手和滑座是刀裝置中交換刀具的主要工具，它們相互配合把刀具送到主軸上，再把主軸上已用過的刀具返回刀庫上。常見的換刀系統工作模式可分為隨機換刀和固定地址換刀兩種，有些鋁合金缸蓋加工中心采用固定地址換刀方式，有些則采用隨機換刀模式。

1 刀庫換刀系統硬件與程序結構

Mazak-F660加工中心刀庫換刀系統硬件主要包括FANUC數控系統、矢量位置控制變頻器、刀庫Magazine、滑座Shifer、ATC換刀臂以及刀庫電機，軟件主要由兩個換刀程序構成：固定地址換刀程序和隨機換刀程序。

（1）鋁合金缸蓋鑄造工藝。金屬型鑄造工藝是鋁合金缸蓋鑄造工藝。該鑄造方法具有鑄件冷卻快、組織細密、力學性能高等優點，其鑄件質量明顯高于砂型鑄造。但是金屬型不透氣、不退讓性，易產生氣孔、裂紋、澆不足等缺陷。因此，在采用鋁合金鑄造時須合理設計澆注系統以避免缺陷的產生。其次，鋁合金制造成本較高、周期長，因而不適合單件、小批量生產。

（2）硬件結構。FANUC 18I-M數控系統及其FANUC PMC控制器、位置控制變頻器與刀庫系統信號通訊，使得自動換刀得以實現。刀庫換刀動作邏輯控制是由FANUC PMC（FANUC PMC RB6型控制器）實現的，1024個I/O點，數據表8000BYTE，32000條語句，子程序2000個，指令集強大。矢量位置控制變頻器由日本安川電機生產，刀庫轉速和刀庫位置分別由速度環與位置環控制，其比較位置控制指令和刀庫電機實時位置信號，二者一致時，發出COIN信號和當前位置信號并通知PMC刀庫已經按照位置指令旋轉到了指定的位置，以此來控制刀庫的位置?？梢酝ㄟ^PMC中的K1.0、K1.1和K1.2三個參數組合決定刀庫容量。ATC換刀臂用于在刀具主軸與滑座之間交換刀具。刀庫電機采用X3000型飼服電機，帶絕對式光電編碼器。硬件結構見圖1。

圖1 刀庫結構

（3）固定地址換刀程序構成。固定地址主要特點是刀號與刀庫刀套號是固定映射關系并且相等，這種固定映射關系很大程度上簡化了程序的復雜性。這樣在還刀時只要知道所還刀的刀號就能知道它應該被放入的刀庫刀套號，通過刀庫旋轉定位，使該刀套處于還刀位置，就可以實現還刀。固定地址換刀模式主程序調用P147自動換刀子程序，在P147內部又嵌套調用P100刀庫回轉定位子程序,由于比隨機選刀還刀程序多出了一個還刀時搜索固定映射刀套的過程，刀庫也必須將固定對應的刀套移動到還刀位置，還回刀具。因此比隨機換刀的就近利用空刀套方式多占用加工時間延長了加工節拍。

（4）固定地址換刀與隨機換刀程序結構的區別。固定地址換刀與隨機還刀選刀不同之處是隨機換刀程序執行過程中需要訪問數據表以及進行數據表的搜索與讀寫操作。隨機還刀選刀模式中刀套號與刀號是非固定映射關系，這種非固定映射關系的好處是可以根據加工工序的改變，一次完成刀具的更換與入庫，省去了固定地址換刀中等待刀庫尋址固定空刀套的步驟，提高了加工節拍。數據表是為存儲刀套與刀具號的非固定映射關系而在PMC非易失性存儲器中開辟的一段存儲空間。為實現這種非固定映射關系，需要在每次換刀時利用數據搜尋（DSCHB）和數據檢索與傳送（XMOVB）等功能指令對數據表進行刀具號與刀套號的讀寫、尋址和檢索，即每次換刀都要刷新并儲存刀套與刀具的對應關系。

數據搜尋（DSCHB）和數據檢索與傳送（XMOVB）見圖2和圖3。

圖2 DSCHB（二進制數據檢索）數據結構

選刀時P147調用P221子程序，DSCHB指令根據數據表中的映射關系在搜索出數控加工程序中指定的刀號所對應的刀套號，并通過刀庫回轉將該刀移動至換刀位置等待換刀。還刀時，如果需要把主軸上刀具還回刀庫，并不再加裝其他刀具，則該指令搜索0號刀（空刀）所在的數據表中的空刀套，并通過刀庫回轉將空刀套轉到還刀位置等待滑座還刀。

圖3 XMOVB（二進制變址數據傳送）數據結構

還刀時調用P223子程序，XMOVB指令將還回刀庫的刀具代碼寫入數據表中的相應的刀套中去，即建立刷新數據表建立新的映射關系。

2 固定地址換刀模式與隨機換刀模式執行過程的區別

（1）固定地址換刀模式執行過程。如前所述，固定地址還刀選刀程序不訪問數據表，不進行數據的搜索和讀寫，而是使刀庫刀套序號與實際刀號一一對應，這樣就可以直接由刀庫的位置找到刀的位置了。值得一提的是一個加工程序最后一把刀的還刀過程，當一個加工程序執行到最后一把刀時，它的還刀過程與前面的過程有些不同。如果按照正常的還刀順序，當這把刀結束加工后，要先還回到ATC換刀臂上，安裝到滑座刀套內，程序自動將滑座內的刀號傳給CDMGPK中間繼電器，等待刀庫搜索與之對應的刀庫上的刀套，當刀庫搜索完畢且旋轉到還刀位置后，才可以執行還刀動作。

（2）隨機換刀模式執行過程。隨機換刀模式訪問數據表，進行數據表的檢索和讀寫，從而在每一次換刀循環中刷新并建立刀具與刀套新的映射關系，這種程序上的差異帶來的好處是它比固定地址還刀選刀程序少了一個刀庫回轉尋找固定映射的空刀套的，節省了加工時間，使加工節拍得到提高。見圖4。

圖4 隨機換刀模式流程圖