菲迪亞高速龍門銑床增加自動化刀庫改造研究

肖萬川

（四川成飛集成科技股份有限公司，成都 610091）

數(shù)控龍門銑床配置各類刀庫實現(xiàn)自動換刀的方式多種多樣。刀庫的主要部件由刀庫和刀具交換機構組成。機床和主軸的結構及空間位置決定了刀庫樣式。刀庫的形式有很多種，結構也各不相同。在龍門數(shù)控銑床上，最常用的有傘形刀庫、盤式刀庫、鏈式刀庫和直線式刀庫等[1]。

1 設計中刀庫結構的選擇

目前，數(shù)控機床常見的刀庫種類有直線排列式刀庫、夾臂式刀庫、轉(zhuǎn)塔式刀庫、圓盤式刀庫、傘形刀庫以及鏈式刀庫等。其中：直線排列式刀庫、夾臂式刀庫、傘形刀庫無須機械臂換刀，占用空間小，結構簡單，常用于中小型機床；轉(zhuǎn)塔式刀庫結構緊湊，多用于車削中心[2]；圓盤式刀庫結構比較復雜但工作可靠性高，在中型加工中心使用普遍；鏈式刀庫結構非常復雜，一般用于刀庫數(shù)量較大的大型龍門加工中心。從結構復雜程度、安裝難易程度、空間尺寸以及經(jīng)濟性等各方面綜合考慮，最終選用臺灣圣杰牌DV0320T 傘形刀庫，如圖1 所示。

它由三相異步電機連接凸輪分度間歇運動機構帶動刀盤旋轉(zhuǎn)（如圖2 所示），實現(xiàn)刀具的位移。這種結構比較符合任務要求，刀庫結構簡單，占用空間小，故障率低，價格便宜，成熟穩(wěn)定，且已在公司現(xiàn)有亞太菁英機床GL27 上得到了應用，如圖3 所示。亞太菁英GL27 機床于2011 年安裝并投入使用，至今刀庫未出現(xiàn)過故障，可見此類型刀庫的穩(wěn)定性良好。刀庫的基本規(guī)格，如表1 所示。

表1 刀庫的基本規(guī)格

刀庫安裝在底座上，由氣缸將刀庫推出，使用機床坐標軸X軸、Y軸和主軸Z軸移動來實現(xiàn)換刀。刀庫總成安裝在工作臺X軸正向里側機床空置區(qū)域，如圖4 所示。需要注意，刀庫推出換刀時會占用工作臺X軸的部分行程。

2 機床換刀的實現(xiàn)

2.1 刀庫與機床的電氣連接改造

刀庫的供電電源、氣缸控制和檢測信號的反饋等，都需要與機床進行連接。如圖5 所示，根據(jù)電氣原理圖，需要從機床引出380 V 電源線接入QF1 電機保護斷路器，再由機床可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）發(fā)出信號控制中間繼電器KR1 或KR2 的觸點互鎖，使KM1 或KM2 接觸器吸合實現(xiàn)刀庫電機的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。依然由機床PLC 控制KR3 或KR4 中間繼電器觸點閉合，使Y1 或Y2 刀庫底座氣動伸縮氣缸電磁閥吸合，使氣缸帶動刀庫推出至防護門外或者縮回至防護門以內(nèi)。急停開關SP與機床急?；芈愤M行連接，當發(fā)生緊急情況時拍下急停開關，機床和刀庫都會緊急停止，從而保護機床的安全和操作者的人身安全。

刀庫自帶原點檢測傳感器、有刀無刀檢測傳感器和數(shù)刀/定位傳感器，將所有檢測輸入信號按表2信號定義接入現(xiàn)有機床PLC 模塊的物理位置，機床PLC 輸出信號也按照圖紙一一對應進行連接。

2.2 PLC 程序的修改

FIDIA 系統(tǒng)所使用的PLC 編程語言為AUCOL語言，是意大利FIDIA 公司的PLC 內(nèi)置語言，編程靈活，語句量大。它是一種控制二進制變量的FIDIA公司的專用產(chǎn)品。相對于SIEMENS、FANUC 等數(shù)控系統(tǒng)的PLC 程序編制方法的種類多樣性，F(xiàn)IDIA 系統(tǒng)只有語句表方式的編程方法，可見AUCOL 語言分析研究和二次開發(fā)具有一定的獨特性。

表2 PLC 輸入輸出信號定義表

FIDIA 系統(tǒng)的所有PLC 程序都是由進程單元組成的（急停檢測、液壓系統(tǒng)管理、刀具搜索的管理等）。進程是指由PLC 程序員編寫的不同時單獨運行而又相互關聯(lián)的程序。各個進程是按順序從進程1 到進程2 依序執(zhí)行。如果某一個進程無效，這個進程會被跳過無效程序直接執(zhí)行它后面的進程。進程由可變操作碼和操作數(shù)組成。操作碼表示的是指令要完成的操作功能，操作數(shù)指變量和常量[3]。其中，輸入信號作為反饋信息返回CNC 和PLC，而輸出信號被CNC和PLC 用于管理特定的操作。

通過了解FIDIA 系統(tǒng)中PLC 技術的應用特點，修改PLC 程序中的M06 換刀程序。

以下是節(jié)選部分修改后的換刀程序：

2.3 換刀工作過程

如圖6 所示，當機床執(zhí)行M06TXX 自動換刀指令時，PLC 先會判斷存儲單元中主軸當前刀具號與換刀指令刀具號是否一致。若相同，則換刀完成[4-6]。若不相同，則進行如下?lián)Q刀動作：Z軸回到安全高度（作用是避免X軸、Y軸移動時主軸上刀具碰到工件）→主軸準停→機床通過X軸、Y軸水平移動到換刀等待位置→刀庫電機旋轉(zhuǎn)到目前刀具的刀位上→氣缸推動刀庫伸出→防護門打開→Z軸移動至換刀點→X軸移動至換刀點→主軸松刀→Z軸移動至等待點→刀庫旋轉(zhuǎn)至目標刀位→Z軸移動至換刀點→主軸夾緊→X軸移動至等待點→Z軸抬刀至安全點→刀庫氣缸回退→刀庫門關閉→刀號更新至存儲單元→換刀完成。

2.4 調(diào)試與優(yōu)化

經(jīng)過修改后的PLC 程序滿足換刀要求，使刀具的更換方便、快捷、靈敏。經(jīng)過現(xiàn)場測試，觀察并記錄每次選刀換刀的系統(tǒng)運轉(zhuǎn)情況，對不合理或沒達到要求的程序段進行修改優(yōu)化，最終的PLC 程序經(jīng)過50 次連續(xù)不間斷換刀測試，換刀的成功率達到100%，換刀故障率為0%，滿足了改造要求[7-9]。

3 結語

通過對菲迪亞GT30 機床自動化刀庫系統(tǒng)的硬件和PLC 軟件部分的改造，大大提升了對FIDIA 系統(tǒng)PLC 程序二次開發(fā)的能力，且使機床實現(xiàn)了高速、高精度和高可靠性的換刀，減少了每一工序必須手動換刀、不能自動化加工、機床加工效率不高、人工操作要求高等問題。實踐證明，在數(shù)控銑機床配置該刀庫，可使工序較為集中。特別是航空類復雜零件的加工過程中，它的作用尤為顯著，能夠?qū)崿F(xiàn)程序的串聯(lián)、自動化加工和無人化加工，提高了加工效率，減少了加工時的人為干預。這種類型三相異步電機的刀庫相對于伺服電機控制的刀庫，價格、制造和安裝成本低，維護簡單方便，故障率低，穩(wěn)定性高，特別適合機床內(nèi)安裝空間小、費用預算不高的改造。