自动化机床换刀.doc

毕 业 设 计（论 文）题 目： KH63G柔性加工单元ATC控制设计系 别：电气工程系专 业：自动化班 级： T1023-7学生姓名： 李灿学 号： 20100230728指导教师：罗敏(校内) 何晓波(校外)摘要 KH63G是韩国起亚生产的柔性加工单元，该加工单元使用的是链式刀库，最多能容纳40把刀，采用的是液压机械手进行刀具交换。本课题依据KH63G柔性加工单元改造中自动换刀功能的设计要求，应用FANUC-18i数控系统，设计采用固定刀套换刀方式的自动刀具交换（ATC）功能。该柔性加工单元的换刀过程分为：刀库找刀、机械手取刀、机械手换刀、机械手还刀四个子过程。这次改造的主要任务是：设计和完成相应的电气原理图、宏程序及PMC程序的编写。设计的自动换刀功能具有手动和自动两种运行方式，换刀过程每一个动作均设计了M功能，以方便日常的调整和维护工作。关键词：链式刀库，机械手，换刀 AbstractKH63G is Korea-KIA production flexible machining cell, where is using the chain type tool magazine .The center is able to accommodate up to 40 tools at most and use hydraulic tool Exchange manipulators . According to the design requirements of automatic tool change feature of transformation of KH63G flexible machining cell ,this subject applies the design of FANUC-18i NC system using the fixed tool automatic tool Exchange (ATC) feature.The tool change procedure is divided into: magazine search tool , taking tool , exchanging tool, returning tool. Design of automatic tool change feature with manual and automatic operating mode. The M-functions of the tool changing process have been designed to facilitate routine adjustments and maintenance work. Keywords: Magazine, ATC arm, ATC目录第一章 绪论11.1前言11.2自动换刀装置现状及发展趋势21.2.1自动换刀装置国内外发展现状21.2.2换刀机构核心技术及发展趋势31.3课题介绍41.4课题任务4第二章 FANUC 18i-MB系统介绍52.1 FANUC 18i-MB系统52.1.1基本构成及连接52.1.2进给与主轴控制52.1.3 FANUC 18i主要规格62.1.4 FANUC 18i 硬件连接62.2 PMC编程介绍72.3 FANUC LADDER-编程软件92.3.1 LADDER-基本操作92.3.2创建一个新程序112.3.3 编辑标题112.3.4编辑符号和注释12第三章 ATC自动换刀装置143.1 ATC概述143.1.1刀库的类型143.1.2机械手的类型173.2机械手换刀方式18第四章 KH63G加工单元换刀控制设计204.1换刀设计方案论证204.2 KH63G电气原理图204.2.1 KH63G柔性加工单元ATC输入电气原理图234.2.2 KH63G柔性加工单元ATC输出电气原理图274.2.3 KH63G柔性加工单元I/O模块设计及地址分配284.3 换刀机械手动作分析294.3.1换刀流程分析304.3.2 机械手运动轨迹示意图324.4 柔性加工单元换刀宏程序设计与编写354.5 M辅助功能设计374.6 PMC程序编写384.6.1 D区及C区参数说明384.6.2 换刀动作PMC程序39第五章 总结53结束语54致谢55参考文献56附录572014届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）第一章 绪论1.1前言刀库及机械手（AUTOMATIC TOOL CHANGER:ATC）主要用于大中型数控柔性加工单元和柔性加工单元，具有连续换刀且换刀时间短的优点。目前，ATC已成为数控柔性加工单元的重要组成部分和关键功能装置。通过刀库及机械手，可以大大减少加工过程中的非切削时间，提高生产率、降低生产成本，提高机床乃至整个生产线的生产力。随着数控柔性加工单元向高精度、高性能、高速度和高稳定性方向发展，对刀库机械手的精度、性能和可靠性提出了更高的要求。自动换刀系统一般有刀库、机械手和驱动装置组成。刀库的容量有大有小，其装刀数在20160之间。刀库的功能是储存刀具及辅助工具。柔性加工单元自动换刀大多采用刀库式自动换刀装置。带刀库的自动换刀系统由刀库和换刀装置构成，整个换刀过程较为复杂，首先要指令中即将要使用的刀具送到刀库制定位置，再由机械手抓取刀具并送到主轴位置卸载主轴上的刀具，并完成预备刀装刀动作。刀库将加工过程中所有要使用到的刀具分别安装在标准的刀柄上，在机外进行尺寸的预调整，按照一定的形式放到刀库中，而且每把刀具都有自己的编号，刀库中的刀座亦有相应的编号。存放刀具的刀库具有较大的容量时，它即可安装在主轴的上方或是侧面，也可以作为单独的部件装置安装到机床的外部。当刀库安装的机床的外部是，由于远离机床，这就需要在刀库和主轴之间装配换刀机械手来完成刀库和主轴间的换刀动作。用来完成此功能的机构包括送到臂、摆刀站和换刀臂，总称为机械手。具体的说，它的作用是完成刀具的装再和拆卸，以及主轴和刀库间的刀具传递。机械手和刀库完成此项功能一般有驱动装置，驱动装置由步进电机或液压（或气液机构）或凸轮机构组成。机械手完成刀库里的预备刀与主轴上的刀的交换工作。由于数控柔性加工单元的刀库中刀具的容量、换刀稳定性及换刀速度直接影响到柔性加工单元的工作效率，而自动换刀装置就是进一步的压缩非切削时间，减少人力劳动，提高生产效率，大大改善工人的工作条件。因此数控机床为了能够在工件一次夹装中完成多道加工工序，大量的缩短辅助时间，减少频繁安装工件所引起的误差，这就必须要求数控机床带有自动换刀装置。1.2自动换刀装置现状及发展趋势自动换刀装置是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产装置，它与数控机床结合组成柔性加工单元，带有工作台交换的数控柔性加工单元被称为柔性加工单元。自动换刀装置对机床的稳定性，以及提高产品质量，尤其对生产效率的提高有着重要的作用。1.2.1自动换刀装置国内外发展现状工业发达的国家对于自动换刀装置的研究，起于上个世纪70年代，并在这个时间段之后获得迅速的发展。1983年，国际标准化组织制订了数控刀具锥柄的国际标准，从而自动换刀装置形成了一套结构模式。1956年日本富士通成功的研制出数控转塔式冲床,同年美国IBM公司也成功的开发出了“APT”(刀具过程控制装置)：两年后美国K&T公司创造性的研制出带有ATC(自动换刀装置)的柔性加工单元；1978年以后,带有ATC装置的柔性加工单元得以迅速发展,至此迎来了机床发展的黄金阶段。目前意大利、德国、瑞士、奥地利、日本等国家,在高端柔性加工单元上成功实现了自动换刀装置的运用,并取得了非常可观的实际效果。例如德国CHIRON公司生产的型号为Fz08s和Fz08w柔性加工单元(机床),采用机械手换刀,刀库安装在在主轴周围，可随主轴一起移动，且每1把刀具配有1套换刀机械手,用来保证换刀的准确性和无误性，缩短换刀时间至0.5秒，同时达到切屑对切屑换刀时间小于1.5秒；意大利MCM-CLOCK公司生产的600Auto柔性加工单元，采用15040，HSK63刀柄，设计有1个旋转工作台，通过同步工作台的回转与换刀机械手，切屑对切屑换刀缩短至2秒。德国BURKARD和WEBERGMBH公司生产的MC325、MC325-TWN柔性加工单元，采用了可换位置的转塔刀库，换刀时间等于互换位置的进给时间，而且带有可减缓的托盘和回转刀具交换系统，其切屑对切屑换刀时间缩短为2秒。相比工业发达国家，柔性加工单元在我国的研究起步相对比较晚，因此在自动换刀装置方面的研究也相对落后。从20世纪80年代起,大连机床集团、北京机床研究所、济南第一机床厂、沈阳机床集团等,都对自动换刀装置进行了探索与开发，并取得了很不错的成绩，如大连机床集团研发自动换到装置，换刀时间已经能够精确缩短在2秒以内。1.2.2换刀机构核心技术及发展趋势系统整体设计，是保证大型高速刀库及自动换刀装置产品的质量，气设计的核心在于确保系统各零件、各机构间的协调、有序的的工作，使系统的结构在空间和时间上不发生干涉。系统设计技术包含创新设计，并行优化设计，可靠性设计等多种设计方法。其中，模块化设计方法将其运用到自动换刀的系统整体的设计和开发中，建立系统化设计理念。同时运用结构拓扑优化方法对各模块进行设计与优化，并对各运动件进行动态特性分析，简历快速创新设计支撑平台等。系统设计技术涉及设计、分析等多种软件的集成与二次开发。凸轮机构是凸轮式自动换刀装置中的核心组成部分，包括平面凸轮和空间弧面分度凸轮。其中，互勉分度凸轮机构，是一种高速间歇空间分度机构，与棘轮机构、槽轮机构的间分度机构相比，具有分度高，精度较好，动力学特性好，承载能力大等优点；而弧面分度凸轮的工作轮廓是空间不可展曲面，设计和制造难度大。凸轮的制造工艺水平和加工精度，直接影响自动换刀装置的换刀速度和换刀的稳定性。机械手上刀具夹持元件的结构，直接影响着凸轮的使用性能，研究适应重量刀具安全夹持要求的换刀机械手上刀具夹持元件的结构模式，使之具备较大的加紧力，来达到重量刀具的安全夹持，能够自锁和工作稳定等特点，而且还必须有充足的夹持刚度，同时便于刀具的轴向精确定位。随着机械手的发展，人们对机械手的应用提出了更高的要求，一方面是重复高精度，精度是指机械手到达指定位置的精确程度，它与驱动器的分辨率以及反馈装置联系密切。重复精度是指在重复工作中，机械手到达同样位置的精确程度，很明显重复精度显然比精度更为重要。另一方面是模块化，目前有些公司把带有系列导向驱动装置的气动机械手称为简单的传输技术，而把模块化拼接的气动机械手成为现代运输技术。模块化拼接的气动机械手比组合导向装置更具有灵活的安装体系。还有就是无给油化，无给油化是新提出的概念，主要是为了迎合食品、生物工程、电子、纺织业、精密仪器等行业的无污染的要求，不加润滑脂的不供油的润滑元件已经问世。未来的自动换刀装置，将根据不同的工作要求，进行多元化的发展。在现如今越来越注重加工效率的时代，自动换刀装置的时间也将会越来越短，而且其通用性和稳定性也会越来越强。传动装置将会采用动作更快的机构和驱动元件，凸轮机构近年来已经被大量采用。正如上面描述的那样，新材料和加工工艺，弥补凸轮机构磨损后稳定性降低的缺点。新型换刀方式的出现，也为自动换刀装置的进步和发展提出了新思路。双主轴和多主轴换刀技术，把机床的换刀的速度提高到更高的新水平。多主轴换刀方式，可以使安装在夹具上的工件快速在各个主轴之间移动，使得切屑对切屑的时间缩短至0.4秒。通用性方面，立卧式两用自动换刀装置会成为另一个发展的方向。1.3课题介绍KH63G系东风德纳车桥有限公司减速器车间柔性加工单元，其刀库为链式刀库，采用液压机械手进行刀具交换。KH63G系是KIA生产产品，1986年开始生产，年产量超过200台，机床质量稳定，机械性能好、精度指标稳定。该机床使用FANUC 18i-MB标准型系统和RS232C串口，机床整体布局为T字型，带双交换工作台,提高加工效率;工作台在横床身上移动，横向行程大,机床整体刚性好，机床采用八面导轨支撑,机床运行平稳,适合于重切削，内置双自动排屑装置及全封闭性防护罩，操作方便,安全；X/Y/Z三轴均有不锈钢防护拉板，防止冷却液，切屑飞溅，保护导轨及丝杠；机床采用光栅尺全闭环控制，加工精度高，运行可靠，独特的气浮立柱设计，降低70%的Z轴移动摩擦力，提高了Z轴的定位精度及重复定位精度；机床装有中心内冷，外冷;主轴端面装有8个喷嘴，可对刀具进行全方位冷却，防止刀具磨损，提高加工精度。本课题要求应用FANUC-18i数控系统设计采用固定刀套换刀方式的自动刀具交换（ATC）功能。通过观察和分析，该柔性加工单元的换刀过程分为：刀库找刀、机械手取刀、机械手换刀、机械手还刀四个子过程。设计和完成相应的电气原理图、宏程序及PMC程序的编写。设计的自动换刀功能具有连续和单步两种运行方式，换刀过程每一个动作均设计了M功能，以方便日常的维修和维护工作。1.4课题任务1.KH63G柔性加工单元ATC电气原理图设计；2.KH63G柔性加工单元刀库选刀及机械手换刀的动作流程；3.KH63G柔性加工单元ATC自动化换刀宏程序设计；4.KH63G柔性加工单元ATC自动化换刀PMC程序设计第二章 FANUC 18i-MB系统介绍2.1 FANUC 18i-MB系统FANUC数控系统以其高质量、低成本、高性能、较全面的功能，适用于各种机床和生产机械，其市场占有率远远高于其他的数控系统，其主要体现在它的系统设计中大量采用模块化结构，具有可靠性高和便于维修、更换，而且有很强的抵抗恶劣环境影响的能力；同时该系统还有较完善的保护措施，提供丰富的PMC(Programmable Machine Controller，可编程机床控制器)信号和PMC功能指令，以方便机床PMC控制程序的编制，而且增加了变成的灵活性。FANUC 18i 系列产品比0i系统体积更进一步缩小，将液晶显示器与CNC控制部分融为一体，实现了超小型化和超薄化。以纳米为单位计算发送到数字伺服控制器的位置指令，极为稳定，在与高速、高精度的伺服控制部分配合下能够实现高精度加工。通过使用RISC处理器，可以在进行纳米插补的同时，以适合于机床性能的最佳进给速度进行加工。该系列系统具有内嵌式以太网控制板，可以与多台电脑同时进行数据的高速传输，适合构建在加工线和工厂主机之间进行信息交换的生产系统。并配以集中管理软件包，以一台电脑控制多台机床，便于进行监控、运转作业和NC程序传送管理。2.1.1基本构成及连接FANUC 18i 系统由液晶显示器一体型CNC、机床操作面板、伺服放大器、强电盘用I/O模块、I/O LINK放大器、编写机床操作面板及适配器、i系列AC伺服电动机、i系列AC主轴电动机和应用软件包等部分组成。2.1.2进给与主轴控制为实现高速度、高精度、高效率加工，控制系统以纳米为插补计算单位，因此，发送到数字伺服控制器的指令极为稳定，由此来提高表面加工精度。由于采用响应向量（HRV, High Response Vector）控制的高增益伺服系统，可以实现高速加工，为避免机械谐振，系统增加了HRV滤波器，实现稳定的高增益伺服控制。为实现高速、稳定进给，系统采用高性能的i系列AC伺服电动机、高精度的电流检测和高分辨率的脉冲编码器以及高响应的伺服控制。主轴控制通过采用高速DSP（Digital Signal Processing）,改善控制软件算法（主轴HRV控制），设法提高电路的响应和稳定性。通过控制回路运算周期的缩短和高分辨率检测回路的有机结合，实现高响应和高精度的主轴控制。2.1.3 FANUC 18i主要规格18i系列主要的规格见表2.1该系列具有一定扩展功能，可以实现对3个路径，最多5个联动轴的控制。该系统具有内嵌式以太网控制板，可以与多台电脑同时进行高速数据传输，适用于构建在加工线和工厂主机之间进行信息交换的生产系统。表2.1 FANUC 18i 主要规格型号FANUC18i MB最大控制轴数12最大控制通道数2每通道最大控制数6轴/通道最大联动轴数5最大装料机控制轴数4最大PMC控制轴数4程序容量1024KBPMC基本指令执行速度0.033s/步最大PMC I/O点数2048/20482.1.4 FANUC 18i 硬件连接CNC控制软件有系统厂家制作，在控制器出厂前装入CNC。机床生产厂家和最终使用户都不能更改CNC控制软件。系统上电时，BOOT系统把这些控制软件送到DRAM（Dynamic RAM）。CNC提供各种参数，用户可以直接去设定。CNC的总体连接图如图2.1所示。CNC单元机床操作面板伺服驱动1伺服驱动2伺服驱动3主轴驱动器伺服电动机伺服电动机伺服电动机主轴电动机I/O模块I/O LINK模块适配器便携操作单元伺服电动机FSSB图2.1 CNC总体连接图I/O设备即输出/输入设备，是将CNC的程序、参数等各种信息，从外部输入到CNC中，或者从CNC输送到外部去。FANUC 18i-MB I/O接口遵循RS232C标准。RS232接口的用途有：通过RS232C用FANUC-LEDDER软件上传或下载梯形图，也可以用FANUC-LEDDER软件从外部PC监视梯形图的运行状态；DNC的运行也是通过其来执行完成，通过RS232C输入或输出参数和加工工序等。FANUC数控系统与伺服之间的连接是使用FSSB总线。该总线是使用专用的光纤将1台主控器与多台从控器进行串行连接，主控器是CNC单元，从控器是伺服放大器及分离型位置检测器用接口单元。2.2 PMC编程介绍PMC（Programmable Machine Controller）是安装在CNC内部负责机床的顺序控制器。PMC的输入信号分为两大类：机床侧I/O信号和CNC侧I/O信号。机床侧I/O信号通过I/O LINK串行总线连接到PMC。CNC侧I/O信号属于内部信号，G地址信号为PMC至CNC的输出信号，F地址信号为CNC至PMC输入信号。在PMC上使用的计时器和计数器等统称为PMC参数，保存在SRAM中，SRAM有后备电池，在系统断电后，其内部的数据能保持。在SRAM中储存的各种数据，涵括CNC参数、加工工序、PMC参数、道具补偿、用户宏变量等，可以使用RS-232-C接口或储存卡进行输入。不同规格的PMC，其程序容量、处理速度、功能指令数、非易失性存储区地址也不同。表2.2给出18i-MB 内置PMC规格。表2.2 FANUC 18i-MB内置PMC规格PMC类型PMC-SB7编程方法梯形图程序级数3第一级程序扫面周期8ms基本指令执行时间0.033s/步程序容量程序最大容量64000步。各部分无限制，但总量不能超过其存储容量。基本指令数14功能指令数69内部继电器R8500B外部继电器E8000B显示信息请求位A2000点子程序P2000标号L9999非易失性存储区数据表D10000B可变定时器T250个固定定时器500个计数器C100个固定计数器100个保持性继电器K120BI/O link输入最大2048点输出最大2048点PMC顺序程序指的是对机床及相关设备进行逻辑控制程序。顺序程序的编制即梯形图的编制，所谓的梯形图可理解为，CPU中算术运算的执行顺序。一般用PMC中的指令来完成梯形图的绘制。通过编程软件（FANUC LEDDER-）绘制出顺序程序放在PMC存储器中，它的每一条指令都可以被CPU高速的读入并执行。PMC顺序流程图的绘制流程主要包含下面四个步骤：1分配接口首先确定控制对象和控制动作，然后计算出对应的输入/输出点数，接着编接口信号，分配DI/DO端子。2绘制梯形图和地址表使用计算机或内置编辑功能，以梯形图的形式编辑顺序程序。输入程序的同时，在各输入/输出信号上输入信号名称，在线圈后也可输入相应的注释。3调试顺序程序调试顺序程序最好先通过模拟调试后，在进行实际运行调试。模拟调试一般用开关和灯组成仿真机床，进行顺序程序调试。4顺序程序的保存和管理顺序程序调试完毕，可将程序输出到打印机打印出来。同时还必须做好程序的备份和保存，以供维修者的使用。2.3 FANUC LADDER-编程软件2.3.1 LADDER-基本操作FATP LADDER-软件（简称FLADDER-）是FANUC公司的PMC程序开发软件。软件启动界面如图2.3所示。图2.3 FATP LADDER- 启动界面在FATP LADDER-软件的主窗口可以显示多个子窗口，软件界面如图2.4所示，在FATP LADDER-软件中有快捷键F1F9，在界面中有提示信息，主菜单的有8个选项，说明如下：1.File：“文件”菜单。进行PMC程序打开、新建、保存；PMC类型更改及保存；PMC程序的导入导出；PMC程序的打印。2.Edit：“编辑”菜单，进行编辑，跳转，搜索等操作。3.View：“视图”菜单，选择工具栏、状态栏和软键等显示如否。4.Diagnose：“诊断”菜单。显示PMC信号状态、信号扫描、PMC参数等操作。5.Ladder：“梯形图”菜单。进行在线/离线，监视/编辑等切换功能。6.Tool：“工具”菜单。进行程序编译/反译、PMC程序上传/下载等操作。7.Window：“窗口”菜单，进行窗口的选择和排列等操作。8.Window：“窗口”菜单，进行窗口的选择和排列等操作。9.Help：“帮助”菜单，显示主题的搜索、帮助、版本信息。图2.4 FATP LADDER-软件界面2.3.2创建一个新程序创建一个新程序的步骤如下：1.选择FATP LADDER-软件的“File（文件）”菜单，鼠标左键点击“New Program（新建程序）”，弹出如图2.5所示的对话窗口。2.鼠标左键点击“Browse.（浏览）”新建或选择程序存放的文件夹，然后在“Name(程序名)”栏输入程序名，后缀.LAD可以忽略。3.在“PMC Type（PMC类型）”下拉式列表框中选择所使用的PMC类型。4.如果使用第3级梯形图，则勾选“LEVEL3 Program Using”控制框，如图2.6所示。 图2.5 新建程序对话框 图2.6新建程序选项5.如果需要，还可以修改I/O link的通道数；对“Extended function（扩展功能）”和“Extended Instruction（扩展命令）”进行勾选。6.鼠标左键点击“OK”按钮，完成新程序的建立。2.3.3 编辑标题编辑标题的步骤如下：1.显示“Program List（程序清单）” 对话框，如图2.7所示。2.鼠标左键双击“Title（标题）”栏，显示如图2.8所示的“Edit Title（编辑标题）”对话框。 图2.7程序清单对话框 图2.8编辑标题对话框3.按表2.1的要求，设定标题各个选项。表2.1 标题各选项的设定字符数选项最多字符备注Machine Tool Builder Name32机床厂名Machine Tool Name32机床名PMC&NC Name32PMC和NC型号PMC Program No.4程序号Edition No.2版本号Program Drawing No.32程序图号Date of Programming16编程日期Program Designed By32程序设计者ROM Written By32ROM制作者Remarks32注释2.3.4编辑符号和注释编辑标题步骤如下：1.显示“Program List（程序清单）” 对话框，如图2.7所示。2.鼠标左键双击“Symbol Comment（符号注释）”栏，显示如图2.9所示的“Symbol Comment Editing（符号注释编辑）”对话框。图2.9 符号注释编辑对话框3.在图2.10所示的对话框中选择要编辑的信号，点击“N”按钮，出现如图2.10所示新数据输入的对话框，然后输入“Symbol（符号）” 、“Relaycomment（继电器注释）” 、“CoilComment（线圈注释）”。输入完毕，点击“OK”，确认已输入的数据；点击“Cancel”，关闭数据输入对话框。 图2.10新数据对话框第三章 ATC自动换刀装置3.1 ATC概述自动换刀装置（Automatic Tools Changer，简称ATC）是指能够在柔性加工单元的主轴与刀库之间的实现刀具交换的装置，主要包括刀库（Tool Magazine）和换刀机构（Tool Change Mechanism）。柔性加工单元与一般数控机床的显著区别是具有对零件进行多工序加工的能力，即能在一次装夹中自动完成铣、钻、扩、铰、攻螺纹和内槽加工等，其之所以有这种加工能力就是因为它有一套自动换刀装置。ATC的主要组成部分是刀库、机械手和驱动装置。刀库的功能是用来存储加工刀具及辅助工具。柔性加工单元自动换刀多采用刀库式自动换刀装置。带刀库的自动换刀系统有刀库和自动换刀交换机构组成。整个换刀的过程较为复杂，首先把加工过程中需要使用的全部刀具分别安装在标准的刀柄上，在机外进行尺寸的预调整后，按照一定的方式放入到库，换刀时先在刀库中进行选刀，并由刀具交换机构从刀库和主轴上取出刀具。在进行刀具交换后，将新刀具装入主轴，并完成旧道具放入刀库。完成换刀动作的机构包括送刀臂、摆刀站和换刀臂，总称为机械手。更为全面的说,机械手的功能是完成刀具的装卸以及在主轴头与刀库之间的的刀具传送。驱动装置则是使刀库和机械手实现其功能的机构或装置，一般由步进电机或气/液压机构或凸轮机构组成。3.1.1刀库的类型刀库的作用是储备加工刀具及辅助工具,机械手是实现主轴上刀具和刀库中刀具的互换的功能。刀具的类型有盘式刀库、链式刀库等多种形式,刀库的形式和容量要根据机床的工艺范围来确定。常见的刀库主要有以下几种形式：1转塔式刀库包括水平塔头和垂直塔头两种如图3.1所示。图3.1砖塔式刀库示意图转塔式刀库中刀具固定在同一转塔上,没有换刀臂,储刀数量相对有限,通常为48把。一般仅仅用于轻便而简单的机床类型。常见于车削中心和钻削中心,转塔刀库在钻削中心储刀位置在主轴上,其外部结构简单紧凑,但内部构造复杂,精度要求高。这种装置的缺点是当要使用刀具数量多于主轴数的时,操作者必须要卸载已经使用过的刀具,并装上后续程序所需要的刀具。转塔式换刀并不是简单的拆卸刀具,而是将刀具和夹具一起换下,目前NC钻床等依旧使用转塔式刀库。2盘式刀库盘式刀库（图3.2），其中最常见形式有刀具轴线与圆盘轴线平行式布局，如图3.2a所示，以及刀具轴线与圆盘轴线倾斜式布局，如图3.2d所示。这种形式的刀库由于结构简单紧凑，在中小型机床上应用较多，但因刀具为单排排列，空间利用率较低，而刀具的长度较长时，容易与工件、夹具干涉。另外，容量较大的刀库外径比较大，选到时间长，转动惯量较大，因此这样的刀库一般不适合用于刀库容量不超过24把的场合。虽然把刀具呈多环排列结构的的刀库空间利用率可以提高,但这样使得换刀机构较为复杂,不适用于机床空间受限制而刀库容量又较大的场合。双盘式结构刀库是两个较小容量的刀库分别安装于主轴两侧,布局较紧凑,储刀数量也相应增大,适用于中小型柔性加工单元。 （a） （b） （c） （d） 图 3.2 盘式刀库3链式刀库链式刀库（图3.3）的优点是结构简单紧凑、布局较为灵活、刀库的容量相对较大，可以实现刀具的预选工作，缩短了换刀时间。但刀库一般都需要单独安装在机床的侧面如图3.3d所示，占地面积往往相对较大，另外由于通常情况下，刀具的轴线和主轴的轴线垂直，因此换刀必须通过机械手进行，机械结构比圆盘式刀库更为复杂。 ( a ) ( b ) ( c ) ( d )图3.3 链式刀库3.1.2机械手的类型机械手是执行刀库与主轴之间换到动作的装置，机械手的动作一般包括：刀臂旋转、刀臂平移、刀臂摆动等。常见的机械手类型有以下几种类型如图3.4所示。 a b c图3.4 机械手单臂机械手指的是换刀机械手仅一个手臂,包括单手式和双手式。1单臂单爪回转机械手（如图3.4a）：单臂单爪回转式机械手的手臂可以回转不同的角度，进行自动换刀，手臂上只有一个卡钳，因此无论实在刀库中还是在主轴上都是依靠这一个卡爪来完成刀具的装载和交换。因此换刀的时间较长。2双臂回转式机械手（如图3.4b）：双臂回转式机械手的两臂各有一个卡钳，两个卡钳可以同时抓去刀库中的刀具和主轴上的刀具。回转180度后又同时将刀具放回刀库及装入主轴。换刀时间较上一种机械手缩短很多，是最常见的一种形式，多用于刀座与主轴轴线平行的场合。3带送刀臂、摆刀站和换刀臂的机械手：送刀臂将刀具从刀库中取出送到摆刀站，由摆刀站将刀具送到换刀位置，最后由换刀臂进行刀具交换如图3.5所示,。结构更复杂，各部分在空间巧妙配置和组合更具变化性，一般换刀时间较短适用于刀库距离主轴较远的场合。A 送刀臂，B摆刀臂，C换刀臂，D刀库，E主轴图3.5带送刀臂、摆刀站和换刀臂的机械手机械手的驱动与控制方式：1机械手用液压驱动,靠接近开关检测位置。如手的平移/抓刀/拔刀/换刀/插刀等动作分别由不同的电磁阀驱动；但这种方式传动机构较多，且易受液压系统稳定性或检测元件灵敏度等外界因素的影响。常用于不需频繁换刀的大型卧式柔性加工单元。2机械手由交流异步电机带动凸轮机构旋转，凸轮机械手换刀装置是目前柔性加工单元常用的机构之一，与传统的启动、液压换刀机构相比，它具有换刀速度快，换刀稳定，运动平稳的特性，近些年来在柔性加工单元中得到广泛的应用。凸轮机械手换刀装置通常有两个凸轮以及相应的机构构成，其中一个凸轮通过连杆完成机械手的装刀和拔刀动作，另一个凸轮带动分度机构，用来实现机械手的转位，完成抓刀和换刀动作。这样将刀具的换刀时间控制在2s左右。但对主轴拉/松刀及抓刀位置的准确性要求较高，常用于需频繁换刀的中小型柔性加工单元。3机械手由伺服电机驱动，定位精度较高，换刀快速，可靠，但其成本较高。3.2机械手换刀方式柔性加工单元自动换刀系统的控制主要由刀库选刀控制命令（T指令）和刀具交换指令（M06指令）组成，目前刀库的选刀方式有三种：顺序选刀方式、随机选刀方式、固定刀套换刀方式。1顺序选刀方式：将刀具按照加工工序的顺序，依次将刀具安装在刀库中的每一个刀座上，刀具的顺序必须按照加工的顺序来安放。每次换刀时，刀库顺序转动一个刀座的位置，机械手取出刀具将其与主轴上的刀具进行交换，并将换下的刀具安装在其原来的刀座上，也可以按照顺序放在下一个刀座。采用这种方式，驱动控制较为简单、工作稳定，可以直接有刀库分度机构来实现。其缺点是刀库中的刀具在不同的加工工序中不能重复使用，每换一套加工工序就必须变换一次刀具的顺序和增加或减少刀具的数量，降低了刀具和刀库的利用率。2随机换刀方式：其特点是刀具号和刀座号对应的记忆在PMC程序中或者是PLC程序中，无论刀具存放在哪一个地址，都始终记忆相应刀具的运动踪迹，这样可以保证刀具任意的取出，任意的放回，不受加工工艺的限制，大大的提高了刀库的利用率，同时也提高了机床的加工效率及机床通用性。3固定刀套换刀方式：对刀座先进行预先编码，把每把刀具放入相应的刀座后，就具有相应的刀座编码，即刀具在刀库中的位置是固定的，用过的刀具必须放回原来的刀座，找到的过程就变为寻找刀套的过程。这样虽然相比随即换到方式没有那么的便利，但其刀库的利用率比顺序选刀方式还是提高了不少。第四章 KH63G加工单元换刀控制设计KH63G柔性加工单元ATC换刀控制采用的的是FANUC 18i-MB系统，刀库最多可以容纳40把刀，刀库由液压马达驱动，用接近开关计数并定位。刀库采用就近路径定位。采用机械手实现刀具的交换，机械手用液压驱动，靠近接近开关检测位置。机械手抓刀、拔刀、换刀、插刀等动作分别有不同的电磁阀驱动。采用固定刀套换刀方式，可实现道具准备，刀具号与刀套号一致，无刀具表，系统可记忆当前主轴刀具和所选的下次预置刀具。4.1换刀设计方案论证KH63G加工单元换刀控制设计可以采用PMC顺序控制、宏程序控制、PMC结合宏程序控制三种方式。PMC顺序逻辑性强，每一个状态之间衔接严密，但PMC程序在运行是一旦出现故障，由于是顺序控制，因此无法返回到上一状态或其初始状态。宏程序控制跳转性强，在运行时只要满足相应的状态条件，即可任意跳转，因此宏程序的逻辑控制严密行远不及PMC程序。PMC程序和宏程序结合的方式克服了PMC顺序控制、宏程序控制两种方式的缺点，而且结合了两者的优点，满足了控制的严密的逻辑性，也便于机床控制的维护。综合上述控制方式优缺点，以及本次课题的控要求采用PMC程序与宏程序结合的方式来设计本课题的换到功能设计。4.2 KH63G电气原理图KH63G柔性加工单元电气连接总图如图4.1所示。图4.1 KH63G电气连接总图KH63G柔性加工单元ATC输入输出接口信号地址如表4.1和4.2所示。表4.1 KH63G柔性加工单元输入地址(1)序号地址元件号线号说明备注1X0.0SQ43-AX000手臂右旋转2.0.12X0.1SQ43-BX001手臂左旋转3X0.2SQ55-AX002手臂在中间位置4X0.3SQ56-AX003手臂到右侧5X0.4SQ187-AX004U-center wait position6X0.5SQ56-BX005手臂到左侧续表4.1序号地址元件号线号说明备注7X0.6SQ146-AX006ATC安全门18X0.7SQ47-BX007手臂退回9X1.0SQ47-AX010手臂前进10X1.1SQ48-BX011手臂刀库侧11X1.2SQ48-AX012手臂主轴侧12X1.3SQ52-AX013刀库分度插销13X1.4SQ54-BX014刀具确认14X1.5SQ53-AX015ATC门打开15X1.6SQ49-AX016刀库计数A相16X1.7SQ49-BX017刀库计数B相17X3.0SB3X030ATC手动启动18X3.1SA1X031ATC手动119X3.2SA1X032ATC手动220X3.3SA1X033ATC手动421X3.4SA1X034ATC手动822X3.5SB4X035刀库正转23X3.6SB5X036刀库反转24X6.4SB8X064ATC运转准备表4.2 KH63G柔性加工单元输出地址序号地址元件号线号说明备注1Y1.4YV28YA14主轴吹气2Y1.5YV16-BYA15刀具松3Y1.6YV14-BYA16主轴齿轮低档4Y1.7YV14-AYA17主轴齿轮高档5Y2.0YV43-AYA20手臂右转2.0.86Y2.1YV43-BYA21手臂左转7Y2.2YV48-BYA22手臂中间18Y2.3YV84-AYA23ATC手臂低速9Y2.4YV84-BYA24ATC手臂正常速10Y2.5YV47-BYA25手臂退回11Y2.6YV47-AYA26手臂前进12Y2.7YV55-AYA27手臂刀库侧13Y3.0YV48-AYA30手臂主轴侧14Y3.1YV49-AYA31刀库CW15Y3.2YV49-BYA32刀库CCW16Y3.3YV56-AYA33手臂右17Y3.4YV56-BYA34手臂左18Y3.5YV52-BYA35刀库拔销19Y3.6YV53-AYA36ATC门打开20Y3.7YV53-BYA37ATC门关闭21Y4.0YV99-AYA40测量臂升起2.0.922Y4.1YV55-BYA41手臂中间24.2.1 KH63G柔性加工单元ATC输入电气原理图X是从机床侧输入到PMC的输入信号，KH63G ATC输入I/O模块型号是AID32A，采用漏型输入。KH63G机床的输入模块一共有10个插槽，ATC的相关输入信号连接在1号插槽，1号插槽地址是3.0.1（第3组，基座为0，插槽号为1），其I/O单元的I/O地址从X000开始，X30、X35、X36、X37为机床ATC操作面板的手动按钮输入信号，其余均为机床侧接近开关信号。ATC输入模块电气原理图如4.24.5所示。图4.2 输入电气原理图1图4.3输入电气原理图2图4.4 输入电气原理图3图4.5输入电气原理图44.2.2 KH63G柔性加工单元ATC输出电气原理图Y是从PMC输出到机床侧的输出信号，KH63G ATC的输出I/O模块型号AOR16G，采用漏型输入。KH63G柔性加工单元ATC输出信号连接在8号插槽，8号插槽地址是3.0.8（第3组，基座为0，插槽号为8），其I/O单元的I/O地址从Y020开始，其输出信号为ATC动作控制信号，机床侧接受信号的均为电磁阀开关。输出电气原理图如图4.64.7所示。图4.6输出电气原理图1图4.7 输出电气原理图24.2.3 KH63G柔性加工单元I/O模块设计及地址分配I/O各模块的安装位置由组号、机座号、插槽号以及模块名称来表示，因此可由这些模块输入输出数据地址明确各模块的地址。各模块所占用的DI/DO点数（字节数）存储在编程器中，因此仅需指定各模块的首字节地址，其余字节的地址由编程器自动指定。此次课题I/O LINK一共用了3组单元：两个操作面板I/O模块，一个机床输入输出I/O单元。其I/O单元有10个插槽，如图4.8所示。图4.8 I/O单元插槽图I/O LINK上I/O单元的名称及地址分配如表4.3所示，其内容涵括各个插槽的地址和各个插槽的字节数。从属单元I/O地址分配（首地址）地址设置占用字节I/O单元X0003.0.1 AID23A32个X0043.0.2 AID23A32个X0083.0.3 AID23A32个Y0203.0.4 AID23A32个Y0243.0.5 AOD32C32个Y0203.0.6 AOD32C32个Y0003.0.7 AOR16G16个Y0023.0.8 AOR16G16个Y0043.0.9 AOR16G16个Y0063.0.10 AOR16G16个表4.3 I/O地址分配I