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FANUC 立式加（jiā）工（gōng）中心機械手刀庫設計

2024-6-3 來源：- 作者：-

摘（zhāi）要：結（jié）合企業實際（jì）需要，對 FANUC 加工中心用機械手刀（dāo）庫結構和控製程序進行設計。首先對刀庫機械結構進行設計，然後對換刀過程進行分析，改進換刀流程（chéng），運（yùn）用（yòng）宏程序和梯形圖結合（hé）的編程方式，優化控製換刀過程，節約換刀時間，並給出 FANUC 數（shù）控係統 PMC 主要程序。設備調試結果表明：改造後的機械手刀庫使用方便，程序可讀性強，提升了換刀過程的安（ān）全性和設備加工效率。

關鍵詞（cí）：機械手刀庫；換刀；宏程序（xù）；PMC 程序

0 引言

加工中心是指具備刀（dāo）庫，有自（zì）動（dòng）換刀能力，對零件一次安裝後（hòu）可以進行多道工序加工的數控機床，特別（bié）適合柔性加工，已成（chéng）為當今國際機床產業上研究熱點。與刀架和鬥笠式刀庫相比，機械手（shǒu）刀庫刀具數量多，換刀速度快且安裝便捷；與（yǔ）鏈式刀庫相比，占（zhàn）用體積空間小，成為了加工中心上刀（dāo）具裝置首選。

機械手刀庫（kù）結構和控製係統較（jiào）為複雜，一直是加（jiā）工中（zhōng）心製造中技術難題，吸引眾多工程技（jì）術人員和學者研究（jiū）。戚洪利（lì）研究了自動換刀裝置機械結構和（hé）控製係統；梁（liáng）盈富（fù）研究（jiū）了圓盤式刀庫機械手換刀的控製程序；張繼紅研究了自動換刀機械手控製係統。隨著加工中心切削速度的提高，切削時間的不斷縮短，對換刀時間的要求也越來越高，換刀的速度已成為高精度加工中心的一項重要指標。

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

1、機械手刀庫基本組成

機械手刀（dāo）庫主要由刀盤、刀夾、升降氣缸、刀庫電機、機械臂、刀庫信（xìn）號和刀（dāo）庫計（jì）數開（kāi）關、凸輪、錐齒（chǐ）輪、杠杆、凸輪（lún）滾子組（zǔ）成。針對企業設備實際需要，本次設計一台單臂雙（shuāng）爪回轉式機械手（shǒu）刀庫。

2 、機（jī）械手刀庫的設計要求

機械手刀庫驅動（dòng）方式一般分為普通電機（jī）驅動、伺服電（diàn）機驅動、液動驅動等，為使刀庫（kù）符合加工中心的（de）加工需求，本次設計以普通電機為例，對刀庫設計進行分析，確保刀庫運行可行。其中，轉速為 3000 r/min，配（pèi）合減速器使用（yòng）為 200 r/min。結合電機驅動條件，計算出（chū）立式加工中心自動（dòng）換刀裝置轉矩 T（扭（niǔ）矩公式：T=9550P/n），其中 T=47.75 N·m，刀庫轉（zhuǎn）動軸功率及轉速分別為 200 W，600 r/min，為使設計精度得以提升，其圓柱齒輪轉轉動之（zhī）比（nm/i1、nm/i2）中 i 的取值範圍控製在 3 至5 之間（jiān），本次計（jì）算取平均值 4。

聯軸器效率為 η=0.99，η=0.995 為滾動軸承效率，齒輪轉動效率為（wéi） η=0.997。經計算各軸轉矩分別為 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（lún）重要幾何尺寸為：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（suàn）刀庫（kù）設計強度滿足立式數控加（jiā）工中心自動（dòng）換刀裝（zhuāng）置（zhì）設計需（xū）求。

運用三維繪圖軟件 Solid Work 設計刀庫機械結構，運用虛擬仿真技術（shù）模擬刀庫的（de）動作過程，為加工作準備，如圖 1 所示。

圖 1 機械手刀（dāo）庫結構

3 、機械手刀庫換刀（dāo）過程

機械手臂式換刀最大的優（yōu）點在於可（kě）以隨機換刀還刀，無需刀（dāo）套和（hé）刀號一一（yī）對應，當數（shù）控係統檢測到 M06 調（diào）用的宏程序和T 選到脈衝信號的時候，機械手開始動（dòng）作。首先主軸實（shí）現“主軸定位”，能準確無誤的使（shǐ）刀具插入或拔出主軸；然後 Z 軸（zhóu）開始下降，下降的位置就（jiù）是將要換刀的位置，也稱“換刀（dāo）點”，這個換刀的（de）位（wèi）置（zhì），是靠參數來設置的；接下來刀庫裏麵的刀盤開始旋轉，旋轉的停止位置就是當前所輸入的M6 TXX，他在（zài）平行於換刀點位置停止（zhǐ）；然後（hòu）當前刀套倒下，再然後（hòu）機械手開始動作；機（jī）械手的一端扣（kòu）住倒下刀套的刀柄，另一端扣（kòu）住主軸（zhóu）處（chù）的刀（dāo）柄；主軸上方的氣缸開始工作；主軸由緊刀狀態變成鬆刀狀態，這時的機械（xiè）手繼（jì）續動作，機械手會向下運動，運動到一定的（de）位置時，機械手旋轉 180°，來實現刀（dāo）具的交（jiāo）換。機械手臂實現刀臂交換（huàn）之後，主軸由鬆（sōng）刀狀態（tài）轉為緊刀狀態（tài），這時機械手動作回到初始狀態，換刀流程如圖 2 所（suǒ）示。

圖 2 換（huàn）刀流程

4 、宏（hóng）程序使用

目前（qián）加（jiā）工中心機械手刀庫有兩種類型的換刀程序的編製：一是由（yóu） PMC 程序控製實現全部動作；二是由 PMC程序實現單步動作，而由宏程序實現換刀動作（zuò）的順序部分。由（yóu）於宏程序的編程簡單，尤其是可以方便的進行條件判斷，改變程序的流程，分析和調（diào）試（shì）程序也方（fāng）便，所以本（běn）設計，換刀程序選用宏程序方式編製。機械手（shǒu）刀庫的換（huàn）刀分解為（wéi）兩部分，第 1 部分（fèn）為換刀。

在實際（jì）加（jiā）工過程（chéng）中，可先發出選刀指（zhǐ）令完成選刀，在需要換（huàn）刀的工步再行執行換刀，這樣可以節約（yuē）換刀時間。具體宏程序（xù）編（biān）製說明如下。其中，變量功能 #1000~#1015 把 16 位信號從 PMC送到用戶宏程序；變量 #1000 到 #1015 用於按位讀取信；#1032 號。變（biàn）量 #1032 用於一次讀取一個 16 位信號（hào）；變量（liàng）功能 #1100~#1115把 16 位信（xìn）號從用戶宏程序送到 PMC；變量（liàng） #1100 到 #1115 用於按位寫信（xìn）號；#1132 變量 #1132 用於一次寫一個（gè） 16 位信號；變量 #1133 用於從用戶宏程序一次寫（xiě）一個（gè） 32 位的信號到PMC。注意:#1133 的值為從-99999999 到+99999999。

4.1 宏變（biàn）量解釋

4.2 M 代碼含義

4.3 宏程（chéng）序代碼

5、 PMC 程序設計與（yǔ）調試

5.1 主要程序說明（míng）

采用 FANUC 0i-MD 數控係統（tǒng），進行 PMC 程序編製。

主要程序功（gōng）能指令說明如（rú）下：當在（zài） MDI 或者自動運行時，輸入 M06 TXX，T 指令執行，在PMC 程序中 F7.3 發出選通（tōng）脈衝信號（hào），如圖 3 所示。

圖3 T脈衝信號（hào）

當（dāng） T 發出脈衝信號時，開始在 PMC 程序中進（jìn）行檢索（suǒ）刀號，如圖（tú） 4 所示。

圖 4 T 數據檢索

當檢索到（dào）所選刀號的時候，通過計數器來判斷，如圖 5所示。

圖5 計算器

刀庫旋轉的時候，刀庫計數器也（yě）在一直運（yùn）行，當 ROTB 指令（lìng）在尋找刀號時，計數器在一直判斷，直到所選刀號等於當前刀號，如圖 6 所示。

圖 6 ROTB 選刀指令

5.2 調試說明

加工中心機械（xiè）手刀庫機械結構和電氣安裝完成後，進行PMC 程序調試。在運行（háng）調試機械手刀庫之前（qián），需要先設置好數控（kòng）機床的參（cān）考（kǎo）點，以及第二參考點（即換刀點），換刀點需要手動調試。當調整好（hǎo）換刀點後，空刀情況下模擬（nǐ）有刀運行，當確保無誤之後，進行正常換刀。

6 、結束語

（1）設計一款適用於加工中心機（jī）械手刀庫，並設計製作三維模擬（nǐ）動畫的結構（gòu）圖，在（zài）分析研究基礎上（shàng），設計改進機械手刀庫的（de）換刀（dāo）流程。

（2）設（shè）計加工中（zhōng）心機械手刀庫 PMC 程序，並（bìng）在設備上安裝（zhuāng）調試運行正常。

該（gāi）加工中心改造（zào）後經企（qǐ）業使用半年，實踐表明係（xì）統（tǒng）運（yùn）行狀況良好，可靠性高；機械手刀庫控製係統的改進提高加工效率，提升企業經濟效益，為（wéi）其他同類加工中心機械手刀庫設計提供（gòng）參考案例。

基金項目: 浙江省基（jī）礎公益計劃項目（LGG19E050018）和浙江機電職業技術學院重大研發孵化項目（A027118106）資助）

作者：張偉中 1、2，徐誌鵬 1，潘潮輝 3，徐曉風（fēng） 1

來源：1.浙江機電職業技術學院（yuàn）自動化學院 2.浙江理工大學（xué）機械與自動控（kòng）製學院 3.杭州空靈（líng）智（zhì）能科技有限公（gōng）司

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