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(dòng)換刀系統(tǒng)技術(shù)使得傳統(tǒng)意義上的機(jī)床得以復(fù)合成為現(xiàn)代加工中心。機(jī)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(tǒng)工作模式可分為隨機(jī)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(jī)換刀模式。

1 刀庫換刀系統(tǒng)硬件與程序結(jié)構(gòu)

Mazak-F660加工中心刀庫換刀系統(tǒng)硬件主要包括FANUC數(shù)控系統(tǒng)、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(jī)，軟件主要由兩個(gè)換刀程序構(gòu)成：固定地址換刀程序和隨機(jī)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(xì)密、力學(xué)性能高等優(yōu)點(diǎn)，其鑄件質(zhì)量明顯高于砂型鑄造。但是金屬型不透氣、不退讓性，易產(chǎn)生氣孔、裂紋、澆不足等缺陷。因此，在采用鋁合金鑄造時(shí)須合理設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)以避免缺陷的產(chǎn)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(chǎn)。

（2）硬件結(jié)構(gòu)。FANUC 18I-M數(shù)控系統(tǒng)及其FANUC PMC控制器、位置控制變頻器與刀庫系統(tǒng)信號(hào)通訊，使得自動(dòng)換刀得以實(shí)現(xiàn)。刀庫換刀動(dòng)作邏輯控制是由FANUC PMC（FANUC PMC RB6型控制器）實(shí)現(xiàn)的，1024個(gè)I/O點(diǎn)，數(shù)據(jù)表8000BYTE，32000條語句，子程序2000個(gè)，指令集強(qiáng)大。矢量位置控制變頻器由日本安川電機(jī)生產(chǎn)，刀庫轉(zhuǎn)速和刀庫位置分別由速度環(huán)與位置環(huán)控制，其比較位置控制指令和刀庫電機(jī)實(shí)時(shí)位置信號(hào)，二者一致時(shí)，發(fā)出COIN信號(hào)和當(dāng)前位置信號(hào)并通知PMC刀庫已經(jīng)按照位置指令旋轉(zhuǎn)到了指定的位置，以此來控制刀庫的位置。可以通過PMC中的K1.0、K1.1和K1.2三個(gè)參數(shù)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(jī)采用X3000型飼服電機(jī)，帶絕對(duì)式光電編碼器。硬件結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 刀庫結(jié)構(gòu)

（3）固定地址換刀程序構(gòu)成。固定地址主要特點(diǎn)是刀號(hào)與刀庫刀套號(hào)是固定映射關(guān)系并且相等，這種固定映射關(guān)系很大程度上簡化了程序的復(fù)雜性。這樣在還刀時(shí)只要知道所還刀的刀號(hào)就能知道它應(yīng)該被放入的刀庫刀套號(hào)，通過刀庫旋轉(zhuǎn)定位，使該刀套處于還刀位置，就可以實(shí)現(xiàn)還刀。固定地址換刀模式主程序調(diào)用P147自動(dòng)換刀子程序，在P147內(nèi)部又嵌套調(diào)用P100刀庫回轉(zhuǎn)定位子程序,由于比隨機(jī)選刀還刀程序多出了一個(gè)還刀時(shí)搜索固定映射刀套的過程，刀庫也必須將固定對(duì)應(yīng)的刀套移動(dòng)到還刀位置，還回刀具。因此比隨機(jī)換刀的就近利用空刀套方式多占用加工時(shí)間延長了加工節(jié)拍。

（4）固定地址換刀與隨機(jī)換刀程序結(jié)構(gòu)的區(qū)別。固定地址換刀與隨機(jī)還刀選刀不同之處是隨機(jī)換刀程序執(zhí)行過程中需要訪問數(shù)據(jù)表以及進(jìn)行數(shù)據(jù)表的搜索與讀寫操作。隨機(jī)還刀選刀模式中刀套號(hào)與刀號(hào)是非固定映射關(guān)系，這種非固定映射關(guān)系的好處是可以根據(jù)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(jié)拍。數(shù)據(jù)表是為存儲(chǔ)刀套與刀具號(hào)的非固定映射關(guān)系而在PMC非易失性存儲(chǔ)器中開辟的一段存儲(chǔ)空間。為實(shí)現(xiàn)這種非固定映射關(guān)系，需要在每次換刀時(shí)利用數(shù)據(jù)搜尋（DSCHB）和數(shù)據(jù)檢索與傳送（XMOVB）等功能指令對(duì)數(shù)據(jù)表進(jìn)行刀具號(hào)與刀套號(hào)的讀寫、尋址和檢索，即每次換刀都要刷新并儲(chǔ)存刀套與刀具的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

數(shù)據(jù)搜尋（DSCHB）和數(shù)據(jù)檢索與傳送（XMOVB）見圖2和圖3。

圖2 DSCHB（二進(jìn)制數(shù)據(jù)檢索）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

選刀時(shí)P147調(diào)用P221子程序，DSCHB指令根據(jù)數(shù)據(jù)表中的映射關(guān)系在搜索出數(shù)控加工程序中指定的刀號(hào)所對(duì)應(yīng)的刀套號(hào)，并通過刀庫回轉(zhuǎn)將該刀移動(dòng)至換刀位置等待換刀。還刀時(shí)，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(hào)刀（空刀）所在的數(shù)據(jù)表中的空刀套，并通過刀庫回轉(zhuǎn)將空刀套轉(zhuǎn)到還刀位置等待滑座還刀。

圖3 XMOVB（二進(jìn)制變址數(shù)據(jù)傳送）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

還刀時(shí)調(diào)用P223子程序，XMOVB指令將還回刀庫的刀具代碼寫入數(shù)據(jù)表中的相應(yīng)的刀套中去，即建立刷新數(shù)據(jù)表建立新的映射關(guān)系。

2 固定地址換刀模式與隨機(jī)換刀模式執(zhí)行過程的區(qū)別

（1）固定地址換刀模式執(zhí)行過程。如前所述，固定地址還刀選刀程序不訪問數(shù)據(jù)表，不進(jìn)行數(shù)據(jù)的搜索和讀寫，而是使刀庫刀套序號(hào)與實(shí)際刀號(hào)一一對(duì)應(yīng)，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(gè)加工程序最后一把刀的還刀過程，當(dāng)一個(gè)加工程序執(zhí)行到最后一把刀時(shí)，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(dāng)這把刀結(jié)束加工后，要先還回到ATC換刀臂上，安裝到滑座刀套內(nèi)，程序自動(dòng)將滑座內(nèi)的刀號(hào)傳給CDMGPK中間繼電器，等待刀庫搜索與之對(duì)應(yīng)的刀庫上的刀套，當(dāng)?shù)稁焖阉魍戤吳倚D(zhuǎn)到還刀位置后，才可以執(zhí)行還刀動(dòng)作。

（2）隨機(jī)換刀模式執(zhí)行過程。隨機(jī)換刀模式訪問數(shù)據(jù)表，進(jìn)行數(shù)據(jù)表的檢索和讀寫，從而在每一次換刀循環(huán)中刷新并建立刀具與刀套新的映射關(guān)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(gè)刀庫回轉(zhuǎn)尋找固定映射的空刀套的，節(jié)省了加工時(shí)間，使加工節(jié)拍得到提高。見圖4。

圖4 隨機(jī)換刀模式流程圖