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FANUC 立式加（jiā）工中（zhōng）心機械手刀庫設計

2021-1-13 來源（yuán）：作者：張偉中徐誌鵬潘潮輝徐曉（xiǎo）風（fēng）

摘要：結合（hé）企業實際需要，對 FANUC 加工中心用機械手刀庫結構和控（kòng）製程序進行設計。首先對刀庫機（jī）械結構進行設計，然後對換刀過程進行分析，改進換刀流（liú）程，運用宏程序和（hé）梯形圖結合的編程方式，優化控製換刀過程，節約換刀時間，並給出 FANUC 數控（kòng）係（xì）統 PMC 主要程序。設備調試結果表明：改造後的機械（xiè）手刀庫使用方便（biàn），程序可讀性強，提升了換刀（dāo）過程的安全性和設備加工效（xiào）率。

關鍵詞：機械手刀庫；換刀；宏程序；PMC 程序

0 引（yǐn）言

加工（gōng）中心是指具備刀庫，有自動換刀能力，對零件一（yī）次安裝後可以進行多（duō）道工序加工（gōng）的數控（kòng）機床，特別適合柔（róu）性加工，已（yǐ）成為當今國際機床（chuáng）產業上研究熱點。與刀架和鬥笠式（shì）刀庫相比，機械手刀庫刀具數量多，換（huàn）刀速度（dù）快且（qiě）安裝便捷；與鏈式刀庫相比，占用（yòng）體積空間小，成為了加工中心上刀具裝置首選。

機械手（shǒu）刀庫結構和控製係統較為複雜，一直是加工中心製造中技術難題，吸引（yǐn）眾（zhòng）多工程技術人員和學者研究。戚洪利（lì）研究了自動換刀裝置機械結構和控製係（xì）統；梁盈富研究了圓盤（pán）式刀庫機（jī）械手換刀的控製程序；張繼紅研究（jiū）了自動換刀機械手控製係統。隨著加工中（zhōng）心切削速度的提高，切削時間的不斷縮短，對換刀時間（jiān）的要求也越來越高，換刀的（de）速度已成為（wéi）高（gāo）精度加工中心的一項重要指標。

以企業用 FANUC 立式加工中心刀（dāo）庫結構和（hé）控製係統改造設計（jì）為例，研究了機械手刀庫換刀速度提升問題，進而提升加工效率。

1 、機械手刀庫基本組成

機械手刀庫（kù）主要由刀盤、刀夾（jiá）、升降氣缸、刀庫電機、機械臂、刀庫信號和刀庫計數開關、凸輪、錐齒輪、杠杆（gǎn）、凸輪滾（gǔn）子組成。針對企業設備（bèi）實際需要，本次設計（jì）一台單臂雙爪回轉式機械

手刀庫。

2 、機械手刀庫的設計要（yào）求

機械（xiè）手刀庫驅動方式一般分為普通電機驅動、伺服電（diàn）機驅動、液動驅動等，為使刀庫符合（hé）加工中心的加工需求，本次設計以（yǐ）普通電機為例，對刀庫設計進行分析，確保刀庫運行可行。其（qí）中，轉速為（wéi） 3000 r/min，配合減速器使用為 200 r/min。結合電（diàn）機驅動條件，計算（suàn）出（chū）立式加工中心自動換刀裝置轉（zhuǎn）矩 T（扭矩（jǔ）公式（shì）：T=9550P/n），其中 T=47.75 N·m，刀庫轉動軸功率及轉速（sù）分別為 200 W，600 r/min，為（wéi）使設計精度得以提升，其（qí）圓柱齒輪轉轉（zhuǎn）動之比（nm/i1、nm/i2）中 i 的取值（zhí）範（fàn）圍控製在 3 至5 之間，本次計算取平（píng）均值 4。聯軸器效率（lǜ）為 η=0.99，η=0.995 為滾動軸承（chéng）效（xiào）率，齒輪轉動效率（lǜ）為 η=0.997。經計算各（gè）軸轉矩分別為 136.14 N·m、525.58 N·m，依據公式 dmin=A03 計算自動換刀裝置軸最小直徑分別為 dmin1=42.65 mm，dmin2=39.84 mm，經計算得出齒輪重要幾何（hé）尺寸為：d1=m，z1=84 mm，d2=m，z2=268 mm，a=m/2(z1+z2)=176 mm，b=Фd，d1=58.8 mm，經計算刀庫設計強度滿足立式（shì）數控加工中心自動換刀裝置設計需求。

運用三維（wéi）繪圖軟（ruǎn）件 Solid Work 設計刀（dāo）庫機械結構，運（yùn）用虛擬仿真技術模擬刀庫的動作過程，為（wéi）加工作準備（bèi），如圖 1 所示。

圖 1 機械手刀庫結（jié）構（gòu）

3 、機械手刀（dāo）庫換（huàn）刀過程

機械手臂式換刀最大的優點在於可以（yǐ）隨機換刀還刀，無需刀套和刀號一一（yī）對應，當數控係統檢測到 M06 調用的宏程序和（hé）T 選到脈衝信號的時候，機（jī）械手開始動作。首（shǒu）先主軸實現“主軸（zhóu）定位，能準確無誤（wù）的使刀具插（chā）入或拔出主軸；然後 Z 軸（zhóu）開始下降，下降的位置（zhì）就是將要換（huàn）刀的位置，也稱“換刀點”，這個換（huàn）刀的位置，是靠參數來設置（zhì）的；接下來刀庫裏（lǐ）麵的刀（dāo）盤（pán）開始旋轉，旋（xuán）轉的停止位置就是當（dāng）前所輸入的M6 TXX，他在平行於換刀點位置停止；然（rán）後（hòu）當前刀套倒（dǎo）下，再然後機械手開始動作；機械手的一端扣住倒下（xià）刀套的刀（dāo）柄，另一端扣住主軸處的刀柄；主軸上方的氣缸開始工作；主軸由緊刀狀態變（biàn）成鬆刀狀態，這時的機械手繼續動作（zuò），機械手會向下（xià）運動，運動到一定（dìng）的位置時，機械手旋轉 180°，來實現刀具的交換。

機械手臂實現刀臂交（jiāo）換之後，主軸由鬆刀狀態轉為緊刀狀態，這時機械手動（dòng）作回到初始（shǐ）狀態，換刀流程如圖 2 所示。

圖 2 換刀流（liú）程

4 、宏程序使用

目前（qián）加工中心機械手刀庫有兩種類（lèi）型的換刀程序的（de）編製：一是由 PMC 程序控製實（shí）現全部動作（zuò）；二是（shì）由 PMC程序實現單步動作，而由宏（hóng）程（chéng）序（xù）實現換（huàn）刀動作的順（shùn）序部分，。由於宏程序的編程簡單，尤其是可以方便的進行條件（jiàn）判斷，改變（biàn）程序的流程，分析和調試程序也方便，所以本設計，換（huàn）刀程序選用宏程（chéng）序方式（shì）編製。機械（xiè）手（shǒu）刀庫的換刀分解為兩部分，第 1 部分為換刀。

在實際（jì）加工過程中，可先發出選刀指令完成選刀，在需要換刀的工（gōng）步再行執行換刀，這樣可以節約換刀時間（jiān）。具體宏程序（xù）編製說明如下。其中，變量功（gōng）能 #1000~#1015 把 16 位信號從 PMC

送到用（yòng）戶宏程序；變量 #1000 到 #1015 用於按位讀取信；#1032 號。變量 #1032 用於一次讀取一個 16 位信號；變量功能 #1100~#1115把 16 位信號從用戶宏程序送到 PMC；變量 #1100 到 #1115 用於按位（wèi）寫信（xìn）號；#1132 變量 #1132 用（yòng）於一次（cì）寫一個 16 位信號（hào）；變量 #1133 用於從用戶宏程序一次寫一個 32 位的信號到PMC。注意（yì）:#1133 的值為（wéi）從（cóng）-99999999 到+99999999。

4.1 宏（hóng）變量解（jiě）釋