Equipment Manufactring Technology No.6，2009
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"设计与计算
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加工中心斗笠式刀库换刀装置的设计
张 宇 1，夏晓平 2
（1.常州工学院，江苏 常州 213003；2.常州工程职业技术学院，江苏 常州 213003）
摘要：斗笠式刀库由刀库横移装置、分度选刀装置以及主轴上的刀具自动装卸机构组成。横移装置保证刀库以正弦曲线的运动规律，从起始位置运动到换刀点换刀；分度装置保证刀库轮毂得到周期性间歇运动，起到刀库的转位分度作用；其分度槽槽数越多，刀库转位越平稳，但槽数增加会导致刀库轮盘尺寸增大，因此，合理的刀库容量尤为重要。 关键词：刀库；横移装置；容刀量；分度盘；定位法兰；运动分析 中图分类号：TG659
文献标识码：A
加工中心的换刀方式，一般可以分为有机械手换刀和无机械手换刀。有机械手换刀方式的刀库，一般为链式；无机械手换刀方式的刀库，一般为盘式。无机械手换刀方式，一般适用于立式加工中心，原因是它运动集中，运动部件少。但受立式加工中心机床尺寸大小的限制，刀库鼓轮盘尺寸一般不宜太大，即刀库的容量不能太大。斗笠式刀库，顾名思义，形状像斗笠，结构上为盘式刀库，换刀方式属于无机械手换刀系统，它由刀库横移装置、刀库分度选刀装置以及主轴上的刀具自
动装卸机构组成[1]。
斗笠式刀库换刀时，第一步，是刀库横移装置移动到主轴箱可以达到的位置；第二步，是刀库分度装置进行选刀，它通过精准的分度、定位，把下个工序所需的刀具送到指定位置；第三步，是主轴上的自动装卸机构准确取刀、送刀。所以横移装置和分度装置，是斗笠式刀库的重要组成部件。
1 斗笠式刀库装置的设计
1.1 刀库横移装置的设计
刀库的横移装置，是在进行换刀的整个过程中，刀库从远离主轴的位置直线移动到主轴轴线位置，以实现换刀。该机构运动的动力部件是刀库电动机，电机轴实现旋转运动，使刀库实现直线移动。本文阐述了一种利用正弦机构运动原理的换刀横移机构，可让电机轴的旋转运动顺利地转化为可控的刀库直线运动。
斗笠式刀库横移装置，由两根圆柱导轨（滑杆）支撑，每根圆柱导轨由两个支架固定在连接板上，连接板固定在机床立柱上，实现刀库与机床立柱的连接。整个刀库可以在两根圆柱导轨上滑动，实现刀库前后运动，以完成抓刀和返回动作。而
刀库前后运动的原动力是由电机通过拨杆和滑块实现的（如图 1）。
当加工中心进行零件加工的时候，刀库远离主轴，停留在最左边极限位置 1，即刀库处于原位。收到换刀指令后，电机通过电机轴逆时针方向旋转，带动拨杆转动（拨杆上带有滑
文章编号：1672- 545X （2009）06- 0048- 03
滑槽 滑块 拨杆 电机轴 圆柱导轨
支架 连接板
位置 2
滑座
位置 1
连接件 刀库
图 1 刀库的横向移动示意图
块），滑块与拨杆联接，跟随拨杆回绕电机轴旋转，滑座上开有滑槽，滑块在滑槽中上下移动，带动滑座（即刀库）向右移动，从而使刀库运动到右极限位置 2，到达换刀位置，等待取刀及放刀电机轴顺时针方向旋转时，使刀库返回。
1.2 刀库分度装置的设计
本文设计的斗笠式刀库的分度装置，使用的是经典的槽轮机构（即马氏机构），它具有结构简单、外形尺寸小、机械效率高，以及能较平稳地、间歇地进行转位等优点。但槽数的多少，直接影响到机构的柔性冲击和准确定位。本节阐述了槽数与机构平稳性的关系。
斗笠式刀库的分度装置，由刀库鼓轮、分度盘、定位法兰、
圆柱滚子等零部件组成，分度装置的电机输出轴轴线与定位法兰、分度盘、刀库鼓轮盘的回转轴线平行。刀库选刀时，首先由刀库回转电机得到旋转指令，输入轴通过联轴器带动定位法兰旋转，从而使在定位法兰上的圆柱滚子廻绕法兰中心转动；当圆柱滚子转动一定角度，进入分度盘的分度槽中，拨动分度盘开始作转位运动；当分度盘转过一定的角度后，圆柱滚子从分度槽中脱出，刀库鼓轮盘（分度盘通过螺钉与刀库鼓轮连在一起转动，见图 2）即静止不动，并由定位法兰的锁止半轴
收稿日期：2009- 3- 25 作者简介：张 宇（1963—），女，江苏常州人，副教授，主要从事数控技术方向的研究和教学，发表论文多篇。
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《装备制造技术》2009年第6期
定位。
电机
输入轴
连轴器
滚子
定位法兰
分度盘
刀具刀库鼓轮
图2刀具分度装置示意图
定位法兰每回转一圈，就驱动分度盘转过一个槽。电机是连续匀速运动的，从而带动定位法兰与圆柱滚子连续匀速转动。但圆柱滚子是间断性的转入分度槽的，从而使刀库轮毂得到周期性间歇运动，起到了刀库的分度作用（如图2）。
分度盘与刀库鼓轮同轴，分度盘的分度槽数与刀库鼓轮上的刀数一致。定位法兰不断回转，分度盘就不停地进行分度，刀库鼓轮就不断重复上述的运动循环，从而将下一个工序所需刀具的刀位转到换刀位置上，以便让主轴进行换刀，实现刀库的自动换刀。
2 刀库的运动分析
2.1横移装置运动分析
刀库需要一个横向的直线运动来满足换刀要求，而驱动电机输出的是旋转运动，利用该机构，根据运动的合成与分解原理，可以将电机输出的旋转运动分解为水平、垂直两个方向的直线位移，利用滑块在滑槽中的运动，消除掉刀库垂直方向的位移，实现刀库所需的水平方向的直线运动。
整个机构的运动过程为：拨杆（主动件）的动力，来源于中心的驱动电动机，滑块是从动件。拨杆由电动机控制从状态 A
运动到状态B，再从状态B返回到状态A，作往复的1/2圆周运动。滑块由位置1运动到位置2，再运动到位置3，再由位置
3 返回到位置 1，作往复的直线运动（见图 3）。在这个过程中，该机构很好的将电动机提供的圆周运动，转化成了滑块的上下往复直线运动和滑座的水平往复直线运动，从而保证刀库准确可靠的换刀与复位[2.~3]。
拨杆
滑块
状态 A
ψ状态 B
滑槽
位置 1 位置 2 位置 3
图 3 横向移动装置运动简图2.2 分度装置运动分析
刀库在换刀前，首先需要选刀。选刀的过程，就是使刀库
鼓轮满足一个周向间歇运动，也就是分度盘在分度过程中，转位开始与转位结束位置上的瞬时角速度ω2= 0。
在图4中得出，为了使圆柱滚子能顺利进入和脱出分度盘上的径向槽，在槽口的瞬时位置时，必须使转臂中心线O1O3 与分度槽的中心线O3O2相垂直，即O1O3O2 = 90°。假设：O1O2= a，O1O3= R1，O2O3= R，圆柱滚子从进入至脱离径向槽这
（即），分度盘的转个过程，定位法兰的转角为2φ1 O2O1O3 = φ1
角为2φ2（即010203=φ2，2φ2=2π/z），则在直角三角形 O1O2O3
中，根据正切函数，得
φ2= arctan λsinφ1
1- λcosφ1
式中
λ= R1 = sinφ= sin
π
（Z为分度盘的槽数）。
a 2 z
定位法兰
分度盘
O1
2φ1 O2
2φ2
ω
1 O
3 ω2
圆柱滚子
图4刀库分度装置运动简图
分度机构在转位过程中，定位法兰以匀角速度ω1转动，分度盘以角速度ω2反向转动，分度盘每次分度转过的角度与槽数z有严格的对应关系（2φ2= 2π/z），分度盘的角速度ω2
为φ2对时间的导数
ω= dφ2 = λ(cosφ1-λ) ω [4]
2
2 dt 1
(1- 2λcos φ1 + λ )
分度盘的角加速度为
ε = dω2 = λ(λ
2- 1)sinφ
1 ω
2 [4]
2 2 1
dt
(1- 2λcos φ1+λ )
定位法兰的角速度ω1为常数，分度盘转位起、停时，分度
盘的角速度ω2和分度盘的角加速度ε为槽数和定位法兰拨盘转角φ1的函数，当拨盘匀速转动时，随着分度盘槽数Z的
增加，运动趋于平缓（如图5）。当圆柱滚子开始进入和即将退
ω2
0.7 z=8
ω1
0.6
0.5
0.4 z=12
0.3 z=15
z=18
0.2
0.1
- 80- 60- 40- 20020406080φ1
图5槽数与角速度变化曲线
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z=8
ε0.8
ω1 2
0.6
z=12
0.4
z=15
z=18 0.2
- 80 - 60 - 40 - 20 0 20 40 60 80φ1
- 0.2
- 0.4
- 0.6
- 0.8
图 6 槽数与角加速度变化曲线
出分度槽时，角加速度有突变（如图6所示），且突变的大小是随着分度槽数Z的增加而减少。这说明刀库在开始选刀和选刀结束时，会产生震动和冲击，但分度槽数越多，刀库转位过程越平稳，产生的震动和冲击越小。从角速度、角加速度变化的曲线图得出：槽数Z达到12（亦即刀库的刀数为12）以上时，分度装置分度过程就比较平稳。换句话说，此时斗笠式刀库在选刀过程中，产生的震动和冲击已经很小，分度盘角速度变化不大，刀库运动趋于平稳。
3 横向移动装置的速度分析
刀库换刀时，需要的运动为水平移动。在该机构中，水平方向和竖直方向的位移，都随着转角的变化而变化，而且变化不是均匀的。
位移
位置 3
位置 2
090° 180°- 90°0转角ω
位置 1
图 7 横向移动装置位移与拨杆转角的关系
图 7 表明：起始点处为刀库在最左边（位置 1），拨杆在水平位置，这个位置为刀具运动的起始位置，所以此时转角为0，刀库横向移动速度也为0。当电机接到转动指令后，转动90°，拨杆摆动90°，拨杆到达竖直位置，此时刀库运动到了位移的中点处（位置2），刀库横向移动速度从0到最大。拨杆继续转过90°后，拨杆再次到达水平位置，刀库到达最右边（位置3），刀库横向移动速度又从最大到0，恰好使刀库运动到换刀位置。当刀库换好刀，电机接到反向转动指令后，反转动180°，拨杆反向摆动半圈，刀库运动到初始位置，整个换刀过程结束。
假定电机转动角速度为ω，拨杆长度为L，拨杆与刀库横向移动装置（水平滑轨）ω之间的夹角为θ，刀库横向移动的速度为V X，则
V X = L×ω×sinθ
当θ = 0°时，此时拨杆在左极限位置也就是水平位置，对应刀库也在起始位置，V X= 0。
当θ = 90°时，此时拨杆在竖直位置，对应刀库在中间位置，V X=L×ω，为最大速度。
速度Vx
位置 2
Vs 正向最大
位置 3
位置1
090°180°- 90°0转角ω
Vx 反向最大
图 8 刀库横向移动装置运动速度与拨杆转角的关系当θ =180°时，此时拨杆在右极限位置也是水平位置，对应刀库也在换刀位置，V X= 0。
由此可见，刀库的运动不是匀速的。换刀结束后，拨杆反向旋转，反向速度也是先增大然后减小，直至起始位置时速度为0。
由运动速度的分解可知，在整个过程中，刀库横移装置的速度变化呈现出正弦曲线的规律，符合正弦机构运动原理，因此，这种机构为正弦机构。
4 结束语
（1）应用正弦机构原理设计的斗笠式刀库在换刀过程中，采用电机驱动后，刀库横向移动装置运动速度由0到最大，之后再减小至0，减小了刀库运动的冲击，从而保证了刀库运动的平稳性，保证刀库准确定位，为准确快速换刀提供了保证。
同理，换完刀之后，使刀库能平稳运动回到起点，有利于刀库位置的准确控制。换刀时间由电机旋转速度控制，且无论旋转速度如何，都能保证在刀库移动的两端的速度为0，即保证刀库的平稳性和换刀的可靠性。该装置机构简单，可靠性高，成本低廉，适用于立式加工中心的刀库换刀机构。
（2）加工中心刀库中容刀量的多少，决定了该加工中心的加工工艺范围。为保证加工中心能够适应并满足不同零件的多样性和加工工序复杂性的要求，刀库必须具有一定的容刀量。刀库容刀量越大，加工中心的适应性越好。但刀库容量越大，刀库尺寸就越大，所占空间就越大，而容量小又不平稳。综
上所述，一般应用在立式加工中心上的斗笠式刀库，建议采用刀库容刀量在15～20把刀的范围内。
参考文献：
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[4] 沈世德.机械原理[M].北京:机械工业出版社,2005.
（下转第59页）
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由图8可得出，驱动轮总体应变很小，设计是比较合理
的。由图9分析检查结果显示，最小安全系数为8.3，可以看
出驱动轮在正常工作时，是安全可靠的。
通过软件分析，可以形象看出驱动轮在正常工作时的应力、位移、应变等变化情况，为设计提供一定的依据。在分析结果中，安全系数相对较小的位置，需要加强，如啮合齿的齿根处需要加强，增加齿厚、改变材质以及加工后热处理都能提高驱动轮整体使用寿命。在设计中，许多参数对驱动轮性能都有影响，如驱动轮材质、外形尺寸、运行环境等等都对其使用性能有影响，通过COSMOS软件分析，从运行结果可以很方便的看出，各参数的改变对驱动轮性能影响的情况。
3 结束语
本文首先介绍履带行走机构的组成和技术特点，履带行走机构是一种工程机械常用的驱动行走机构，在设计过程中，众多参数对该机构性能有一定的影响，特别是驱动轮的设计情况，影响该整机的可靠性和安全性。通过应用COSMOS软件对设计的履带行走机构主要受力部件即驱动轮进行分析研究，由分析结果得出，驱动轮在正常使用情况下，是非常安全可靠的，同时分析结果与实际理论计算是相同的，这为理论设计计算提供验证，也为该产品设计校核提供一种新方法。
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高级应用实例[M].北京：机械工业出版社，2006.
Finite Element analysis of Engineering Crawler's Driving wheel Based on COSMOS
JIANG Lin
(Mechanical Equipment Department of Huatian Engineering & Technology Corporation, Maanshan Anhui 243000,China)
Abstract：This paper introduces the features of construction machinery's crawler-tread and designs a kind of crawler-tread according to market demand. Based on it and with finite element software COSMOS, the paper gives force analysis of key component that is driving wheel when crawler-tread working. Last, the paper provides theory basis not only for designing crawler-tread, but also for security of whole machine running.
Key words: crawler-tread；COSMOS/Works；driving wheel ；force analysis
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
（上接第50页）
Design of the Tool Changer in the Bamboo Hat ATC for Machine Centre
ZHANG Yu1 , XIA Xiao-ping2
(1. Changzhou Institute of Technology ,Changzhou Jiangsu 213003,China;
2. Changzhou Institute of Engineering Technology, Changzhou Jiangsu 213003,China)
Abstract：The bamboo hat ATC of machine centre is made up of the horizontal moving device, dividing device and clamping & releasing tool device in the spindle. The horizontal moving device makes that the ATC obeys sinusoidal rule when it moves from start point to changing tools point. The dividing device ensures that the tool wheel gains a periodical intermittent rotating action, and the ATC gains a dividing action. The more dividing slot, the more stably ATC rotates. But the increment of slots leads to increment of size of ATC. So it is very important to exactly select the tools capacity of ATC. Key words：ATC; horizontal moving device; tools capacity; dividing disk; position flange, movement analysis
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HNC-08MD系统斗笠式刀库使用说明书V0.5 1、换刀基本过程 对于HNC-08MD系统来说，无论是斗笠式刀库还是机械手刀库，其换刀过程均为通过M6调用9999子程序来执行的，9999为扩展程序，如果系统参数中2号参数为0，则可以通过《程序》--《选择程序》--《扩展程序》载入9999程序入内存，来查看9999程序，也可以在电脑上在..\HNC-08MD\EXT目录下用文本方式打开9999文件，查看里面的内容。 M6调用9999程序之后，再通过调用相应的M扩展代码，对换刀的整个过程进行控制。换刀的M扩展代码可以在《系统设置》——《辅助功能》里面进行查看。 2、刀库配置表 刀库配置表在主界面的《刀库配置》界面下，刀库配置表提供了主轴上和刀库上的所有的刀具信息。 刀库表起始地址：刀库表存储于PLC数据表中，该配置项用以设置刀库表在数据表中的起始地址。该配置项为参数P0196的引用，与修改参数P0196具有同等效果。（机床级权限） 刀具数量：设置刀库中能存储的刀具数量。该配置项为参数P0195的引用，与修改参数P0195具有同等效果。（机床级权限） 当前刀具号：设置主轴上夹持刀具的刀具号。该配置项为数据表D045的引用。 当前刀位号：设置刀库上在换刀位置上的刀位号。该配置项为数据表D044的引用。 刀具号：设置刀库每个刀位上所装夹刀具的序号。 刀库表的相关地址为： 刀库表首地址 = 刀库表起始地址设置值 刀库表尾地址 = 刀库表起始地址+刀具数量-1 刀位地址 = 刀库表起始地址+刀位号-1 数据表中非易失性存储单元地址范围为D000～D255，因此，刀库表尾地址最大不能超过255，否则系统报错。 对于斗笠式刀库来说，刀位号与刀具号一一对应，所以实际的【刀库配置】的刀库配置表内的各个刀位上的刀具号就没有意义，有效的内容只有“当前刀具号”同“当前刀位号”，其二者应该一致。 3、斗笠式换刀 3.1、指令格式 斗笠式换刀的代码格式： 1、“M6TX”或者“TXM6”，X为刀具号； 2、“TX;……;M6”；即在执行M6的前面先执行TX，再执行M6，但是这种格式并不能够预选刀，最终选刀的动作还是在执行M06时执行，如果M06前面没有TX，则系统会报警。 推荐使用第一种代码格式。 3.2、操作过程 3.2.1、初次操作 初次操作先定义好刀盘上各个刀位的刀位号，再通过M10刀库正转或者M11刀库反转使刀盘上想要的刀位转动到当前刀位的位置，再在【刀库配置】的刀库配置表将“当前刀具号”和“当前刀位号”里均填上当前实际的刀位号。例：在刀盘上做好刀位标记后，通过M10或者M11将刀盘转动到想要的5号刀位上，再将【刀库配置】的刀库配置表里将“当前刀具号”和“当前刀位号”里均填上5。 初次操作是针对用户第一次使用刀库进行刀库检查所使用，或者在换刀转动刀盘的过程中终止换刀之后均要进行上述操作。 3.2.2换刀操作 换刀操作为M06TX，X为刀具号，若X为0，则M06T0执行时系统会报警。当正确的输入换刀指令后，系统会先将刀具还到刀盘里面，再进行转动刀盘选刀，选中刀具之后，最后进行装刀的操作。换刀操作之后，【刀库配置】的刀库配置表里“当前刀具号”和“当前刀位号”均同步更新。 3.2.3换刀的中止操作 1、通过按“急停”按钮中止换刀的动作； 2、通过按“进给保持”按钮暂停换刀； 3.2.4装卸刀操作 装刀操作： 1、先执行M06TX，X为想换的刀具号； 2、再手动将X号刀具装到主轴上； 3、重复上面的操作，可以继续装刀。 卸刀操作： 1、先执行M06TX，X为想卸的刀具号； 2、再手动将X号刀具从主轴上卸下来； 3、重复上面的操作，可以继续卸刀。 3.3换刀规则及注意事项 1、执行M06TX后，无论换刀成功与否均会取消刀具长度补偿和刀具半径补偿。 2、换刀时必须保证刀盘的当前刀位上永远没有刀具，如果当前刀位上有刀具，此种情况禁止进行换刀操作。 3、【刀库配置】的刀库配置表里“当前刀具号”和“当前刀位号”不一致，换刀时系统会产生报警。 4、当M06TX中X有效时(X不为0且在刀库范围之内)，且X等于主轴上的刀具号，即当前要换的刀具就在主轴上，则执行此命令不会有任何动作，也不 会报警。
刀库-概述 刀库系统是提供自动化加工过程中所需之储刀及换刀需求的一种装置； 其自动换刀机构及 可以储放多把刀具的刀库；改变了传统以人为主的生产方式。 藉由电脑程式的控制，可以完 成各种不同的加工需求， 如铳削、钻孔、镗孔、攻牙等。大幅缩短加工时程， 降低生产成本； 这是刀库系统的最大特点。 近年来刀库的发展已超越其为工具机配件的角色， 在其特有的技术领域中发展出符合工具机 高精度、高效能、高可靠度及多工复合等概念之产品。其产品品质的优劣， 关系到工具机的 整体效能表现。 刀库-主要构件 刀库主要是提供储刀位置，并能依程式的控制，正确选择刀具加以定位，以进行刀具交换； 换刀机构则是执行刀具交换的动作。 刀库必须与换刀机构同时存在， 若无刀库则加工所需刀 具无法事先储备；若无换刀机构，则加工所需刀具无法自刀库依序更换， 而失去降低非切削 时间的目的。此二者在功能及运用上相辅相成缺一不可。 刀库-分类 刀库的容量、布局，针对不同的 工具机，其形式也有所不同，根据刀库的容量、外型和取刀 方式可概分为以下几种： 1斗笠式刀库 一般只能存16~24把刀具，斗笠式刀库在换刀时整个刀库向主轴移动。 当主轴上的刀具进入 刀库的卡槽时，主轴向上移动脱离刀具，这时刀库转动。当要换的刀具对正主轴正下方时主 轴下移，使刀具进入主轴锥孔内，夹紧刀具后，刀库退回原来的位置。 2、 圆盘式刀库 圆盘式刀库通常应用在小型立式综合加工机上。 ”圆盘刀库"一般俗称”盘式刀库”，以便和” 斗笠式刀库”、”链条式刀库”相区分。圆盘式的刀库容量不大，顶多二、三十把刀。需搭配 自动换刀机构ATC(Auto Tools Change)进行刀具交换。 3、 链条式刀库 链条式刀库的特点是可储放较多数量之刀具， 一般都在20把以上，有些可储放120把以上。 它是藉 刀库
济南铁道职业技术学院
毕业设计指导书 （高职机电一体化专业08级） 一、设计题目 斗笠式刀库的设计 二、设计目的 随着科学技术和社会的发展，对机械产品的性能、精度、质量、生产率和成本提出了越来越高的要求，数控机床的出现，开创了机械加工自动化的新纪元，不仅能提高产品的质量和生产率，降低生产成本，还能改善工人劳动条件。 一个零件往往需要多道工序完成，而单功能的数控机床只能完成单工序的加工，因此在零件生产过程中，要进行多次装卸换刀工作，不仅影响劳动效率，还降低了工件精度，加工中心和普通单功能机床的区别在于有了刀库和自动换刀装置，这样，一次装夹就可完成多到工序的加工，提高了零件精度和劳动效率。 现在加工中心上刀库种类很多，有斗笠式、圆盘式等，其中斗笠式刀库结构简单，运动集中，适合与立式加工中心。刀库成本低，工艺要求不高，但是国内生产此类刀库的企业较少，大部分需要进口，价格相对较贵，因此本课题非常有研究价值。 三、设计的技术要求
1、斗笠式刀库主要工作过程为： 斗笠式刀库换刀时，由三步组成，第一、刀库横移装置移动到主轴箱可以到达的位置；第二，刀库分度装置进行选刀，通过精确地分度、定位，将下个工序需要的刀送到指定位置；第三，主轴上自动装卸刀机构准确取刀装刀。 具体过程为： 1）、系统接收到换刀指令。 2）、气缸推动刀库移动到主轴位置，保证当前刀位上为空，准备换刀。 3）、主轴打刀缸释放，将主轴上当前刀具放置到刀库空刀位置。 4）、刀库电机转动，接近目的刀具位置时，接近开关发送指令，电机减速，转到位置停止，准备换刀。 5）、主轴完成装刀动作。 6）、刀库气缸带动刀库返回。 一个换刀动作结束。 2、机械结构的设计 通过对加工中心刀库工作目的及工作过程的了解，设计出用横移机构、分度装置及刀盘。 3、技术参数 1、机械结构 ①刀库有8刀位。 ②使用槽轮机构完成分度。
基于宏程序和PMC控制的斗笠式刀库换刀的实现 作者：王刘成杨晋萍裘虹 来源：《电子世界》2012年第19期 【摘要】运用ladder编程软件和宏程序编辑，通过FANUC系统宏程序变量与PMC指令的结合，以及NC指令的调用，实现斗笠式刀库的换刀控制，从而达到换刀的有效进行，保证机械加工的精度，实现了NC机床的高效，高精加工，提高了生产效率和效益。 【关键词】NC；宏程序；PMC；功能指令 斗笠式刀库存放刀具数量为16～24把，刀库移向主轴实现换刀动作，具有容量少、构造易懂、刀库旋转、找刀容易、方便控制的优点，在经济型加工中心中应用很多。本文主要针对斗笠式刀库的特点，运用PMC和宏程序实现对斗笠式刀库的换刀控制。 一、换刀动作及时序图 当主轴刀具进入刀库刀套后，主轴向上进给，脱开刀具，随后刀库旋转。当输入的指令刀具在主轴正下方位置时，主轴向下进给，让刀具进入主轴锥孔，主轴夹刀后，刀库退到初始位置。其换刀动作详细如图： （1）主轴移动到换刀点：图1（a） （2）主轴定位 （3）刀库向前到换刀点抓取旧刀：图1（b） （4）主轴松开刀具 （5）Z轴向上移动出换刀空间：图1（c） （6）刀库据指令找刀：图1（d） （7）Z轴向下移动至换刀点：图1（e） （8）主轴紧紧新刀 （9）刀库后退至初始位置：图1（f）
（10）刀库时序图：图2 整个刀库的动作主要靠刀库电机、汽缸和主轴的相互结合控制实现。时序图中的分度电机通过PMC功能指令实现刀库的正反转就近找刀，其中的接近开关信号可用于刀库计数以此实现刀库原点复归和数刀。汽缸的功能主要用于接收PMC发出的信号以控制刀库整体向前或后退，为换刀或换刀后的运行NC程序作准备。 二、FANUC换刀宏程序流程图 主要通过NC程序、PMC、宏程序实现，其中宏程序变量类型如表一所示，换刀时序框图如图3，相关说明如右侧所示。 三、功能指令 FANUC 0ID系统的功能指令有104个，其中常见的用于刀库控制的PMC功能指令主要有以下几个，现分别加以说明，其中的SUB是功能指令的代码。 五、结语 通过宏程序，PMC，NC的有机结合控制在加工中心上的应用，改善了原来的换刀速度和换刀的安全性，提高了机床的生产效率，使斗笠式刀库的换刀更为安全，简捷，有效，经济。 参考文献 [1]FANUC（北京）有限公司.B—61863梯形图语言编程说明书，2003. [2]FANUC（北京）有限公司.GFZ—61803E—1/07 Macro Complier/Macro Executor Programming Manual. [3]FANUC（北京）有限公司.B—64305CM/01 FANUC Series 0i—MODEL D维修说明书，2009. 作者简介： 王刘成（1983—），男，河南周口人，现供职于山西大学工程学院，研究方向：数控机床应用技术。 裘虹（1964—），女，浙江嵊州人，浙江特种电机有限公司工程师，研究方向：伺服电机。
K1000M4_Cs_EXT 斗笠刀库使用说明 ?刀库实现的功能一：刀库的旋转 1、自动方式：刀库伸出到位，主轴松到位才能实现刀库的旋转。通过M54 指令实现。 2、 MDI 方式：刀库可以任意位置旋转。通过M54 指令实现。 以上两种方式下，主轴刀号与换刀目标刀号一致时，不会输出刀库旋转。 3、手动方式：能在任意位置和手动方式下旋转刀库。通过正、反转按钮实现。 二：松拉刀 1、自动方式和 MDI 方式：在主轴未旋转时，能实现任何位置的松刀和紧刀。通过M50 指令实现松 刀；通过 M51 指令实现紧刀。 2、手动方式：由一个按钮实现主轴松拉刀的控制。按下按钮时，松刀输出；松开按钮时，紧刀输出。 由非手动方式转为手动方式时，不论以前手动方式下，主轴是松刀还是拉刀状态，都会输出拉刀信号。由手动方式转为其它方式时，会保持手动时状态。 三：通过参数可以选择零位信号的有无当刀库选配无零位信号功能时，设置TO_K=0 。 当刀库选配有零位信号功能时，设置TO_K=1 。 零位信号的位置要和一号刀的数刀信号位置相重合，否则只能设置为TO_K=0 。 四：主轴有无刀的判断 在使用前需提前设定一次，以后不用再次设定（包括断电情况）。D22=0 ，表示无刀； D22=1 ，表示有刀。第一次换完刀后，每次都认为有刀，如果主轴实际出现无刀现象，须将D22=0 重新设定。 五：掉电保持功能 1、正常开关机：上电后，回机床零点后，可以直接使用，能正常换刀。且不出现任何报警。 2、非正常断电：换刀中突然断电，再次重新上电，会产生16 号报警，报警内容为刀库当前刀号与主 轴刀号不一致。直到两者一致时，报警会解除。解决办法为，将D27 中的数值在 MDI 方式中，以 刀号形式输入运行，即可解除报警。例：D27=15。须在 MDI方式中输入 T15,运行。报警就解除 了。首先回零，然后可以正常换刀。 3、当刀库选转到位后，换刀未完成时断电，上电时将D21 设置为 1，即可开始换刀。注：如果是单拨叉刀库换 刀中断电或执行急停、复位操作，有可能出现刀号混乱，应根据实际情况进 行刀库调整。 六：刀具号的查看 在 D27 中能查看到当前刀库的实际在位刀号。 在 D25 中能查看到本次换刀所需换刀步数。 在 D24 中能查看到当前需要换到的目标刀号。 在 D23 中能查看到上一次正确换刀后的刀号。在 D22 中能查看到当前主轴是否有刀。在 D21 中设置是否正常换刀完成。 七：补充说明 1．重新上电或急停后，必须执行手动回零操作，否则执行程序将出现“进给轴未回零”报警。 2．刀库有完善的报警提示信息。 3．手动执行刀库正、反转时，每按一次刀库运转都执行一个刀位，可重复执行。 4．换刀子程序结束后使用绝对坐标编程，请在更换刀具后重新设定编程方式。 ?换刀操作说明一：在换刀子程序中将换刀位置设置好。须根据实际情况设置子程序中的坐标值。（由机床厂家完成）二：根据是否选配零位信号，和零位信号所在的位置，设置TO_K参数。TO_K = 1表示有零位信号。 三：根据主轴是否有刀，在 D22 中进行设定， D22=O 表示无刀， D22=1 表示有刀。如果有刀时，刀库当前
刀库换刀流程和逻辑思路 · 乱刀式刀库的换刀流程图
固定式刀库的换刀流程图 固定式刀库换刀过程分解： 固定式刀库换刀动作可分为三个，即取刀、还刀和换刀。由于采用固定刀位管理方式，刀具的交换实际上是还刀和取刀这两个动作。（斗笠式刀库控制约定：1．斗笠式刀库采用固定刀位，即刀套号就是刀具号；2．取刀时，刀库就近找刀） ①取刀 现状：主轴上无刀具 编程：M06 T* 刀库动作描述： ②还刀 现状：主轴上有刀具 编程：M06 T0 刀库动作描述： ③换刀 现状：主轴上有刀具 编程：M06 T* 刀库动作描述：刀具交换的过程，就是还刀加上取刀的过程。 固定式刀库自动换刀装置电气控制 电气控制电路包括接强电电路和PMC控制电路两部分。 下图所示为接触器控制电路。主电路由空气开关QF、KM1主触点、KM2主触点、三相异步交流电机M等组成。控制电路中中间继电器KA1与KA2分别控制接触器KM1和KM2的线圈，控制刀库电机M的正反转和停机制动。实现刀具的选择从而达到精确选刀的目的。 电动刀库电气控制线路图
四、固定式刀库自动换刀装置的PMC控制 PMC控制包括硬件控制和软件控制两方面。 硬件控制包括输入信号的接入和输出信号的控制。下图所示为电动刀库PMC接线图。在此例应用中，传感器信号分别接在X2.0、X2.1输入端口，而控制正反转接触器KM1、KM2的中间继电器的线圈分别由Y50.1、Y50.2控制。 电动刀库PMC接线图 图6 刀库旋转逻辑梯形图 例如，加工中心在执行M06T1换刀指刀令时的换刀结果是：刀库中的T1刀装放轴。 （1）D SCH功能指令（检索功能） 当CNC读到T1指令代码信号时，将此信号信息送入PMC。当PMC接到寻找新刀具的指令T1后（FT3为“1”）在模拟刀库的刀号数据表中开始T代码数据检索出来存入F26地址单元中。然后将1号刀所在数据表中的序号1存入到检索结果输出地址D100中，同时R10.2为“1”。由于R9091.0为“0”。即断开，所以DSCH功能指令按规定2位BCD码处理数据。 （2）C OIN功能指令（比较指令） 当R10.2为“1”时，地址D100的内容（指令1号）和地址D200（当前刀套数据表序号4）的内容作比较。数据一致时，输出R10.3为“1”，不一致时，R10.3为“0”作为刀库旋转达ROT功能指令的条件。 （3）R OT功能指令（旋转指令） ROT功能指令中，旋转检索数（刀套位置个数）为12，现在位置地址为D200（存放当前刀套号4），目标位置地址为D100（存放T1号刀具的刀套号1），计算结果输出地址为C1。
K1000M4_Cs_EXT斗笠刀库使用说明 K1000M4_Cs_EXT斗笠刀库接口信号 输入信号诊断表 位号 7 6 5 4 3 2 1 0 X0.7: 模拟主轴手动换档信号 X0.5: X轴减速输入信号 X0.4: 4轴分度头输入信号 X0.3: 松拉刀开关信号 X0.2: 复合功能：宏输入，4轴分度头输入信号 X0.1: 复合功能：宏输入，4轴分度头输入信号 X0.0: 复合功能：宏输入，4轴分度头输入信号 位号 7 6 5 4 3 2 1 0 X1.7: G31测量输入信号 X1.6: 负向硬限位 X1.5: Y轴减速输入信号 X1.4: 正向硬限位 X1.3: 宏输入 X1.2: 主轴定位完成输入信号 X1.1: 复合功能：宏输入,转台松开输入信号 X1.0: 复合功能：宏输入,转台夹紧输入信号 位号 7 6 5 4 3 2 1 0
X2.7: 主轴报警信号输入 X2.5: Z轴减速输入信号 X2.4: 急停信号 X2.3: 倍率开关输入信号 X2.2: 倍率开关输入信号 X2.1: 倍率开关输入信号 X2.0: 倍率开关输入信号 位号 7 6 5 4 3 2 1 0 X3.7: 模拟主轴高档位反馈 X3.6: 紧刀到位输入信号 X3.5: 4轴减速输入信号 X3.4：模拟主轴低档位反馈 X3.3：ESP 急停 X3.2: 暂停 X3.1: 启动按钮 X3.0: 程序开关 位号 7 6 5 4 3 2 1 0 X4.7: ESP 急停 X4.6: 附加操作盒选择4轴 X4.5: 附加操作盒选择Z轴 X4.4: 附加操作盒选择Y轴
X4.3: 附加操作盒选择X轴 X4.2: 手轮脉冲当量 X4.1: 手轮脉冲当量 X4.0: 手轮脉冲当量 位号 7 6 5 4 3 2 1 0 X100.7: 模式切换输入信号 X100.6: 松刀到位输入信号 X100.5: 刀库拉回到位输入信号 X100.4: 刀库伸出到位输入信号 X100.3: 数刀输入信号 X100.2: 刀库零位输入信号 X100.1: 刀库手动反转输入信号 X100.0: 刀库手动正转输入信号 输出信号诊断表 位号 7 6 5 4 3 2 1 0 Y0.7: 主轴制动输出 Y0.6: 报警输出 Y0.5: 主轴停止 Y0.4: 润滑油开 Y0.3: 冷却液开输出 Y0.2: 卡盘控制输出 Y0.1: 主轴反转 Y0.0: 主轴正转 位号 7 6 5 4 3 2 1 0
链式、盘式、斗笠刀库 刀库系统是提供自动化加工过程中所需之储刀及换刀需求的一种装置；其自动换刀机构及可以储放多把刀具的刀库；改变了传统以人为主的生产方式。藉由电脑程式的控制，可以完成各种不同的加工需求，如铣削、钻孔、搪孔、攻牙等。 一、圆盘式刀库 圆盘式刀库应该称之为固定地址换刀刀库，即每个刀位上都有编号，一般从1编到12、18、20、24等，即为刀号地址。操作者把一把刀具安装进某一刀位后，不管该刀具更换多少次，总是在该刀位内。 1. 制造成本低。主要部件是刀库体及分度盘，只要这两样零件加工精度得到保证即可，运动部件中刀库的分度使用的是非常经典的“马氏机构”，前后、上下运动主要选用气缸。装配调整比较方便，维护简单。一般机床制造厂家都能自制。 2. 每次机床开机后刀库必须“回零”，刀库在旋转时，只要挡
板靠近（距离为0.3mm左右）无触点开关，数控系统就默认为1号刀。并以此为计数基准，“马氏机构”转过几次，当前就是几号刀。只要机床不关机，当前刀号就被记忆。刀具更换时，一般按最近距离旋转原则，刀号编号按逆时针方向，如果刀库数量是18，当前刀号位8，要换6号刀，按最近距离换刀原则，刀库是逆时针转。如要换10号刀，刀库是顺时针转。 机床关机后刀具记忆清零。 3. 固定地址换刀刀库换刀时间比较长国内的机床一般要8秒以上（从一次切削到另一次切削）。 4. 圆盘式刀库的总刀具数量受限制，不宜过多，一般40#刀柄的不超过24把，50#的不超过20把，大型龙门机床也有把圆盘转变为链式结构，刀具数量多达60把。 )圆盘刀库。如图7.1(b)-(g)所示，存刀量少则6把-8把，多则50把-60把，有多种形式。 图7.1(b)所示刀库，刀具径向布置，占有较大空间，一般置于机床立柱上端。 图7.1(c)所示刀库，刀具轴向布置，常置于主轴侧面，刀库轴心线可垂直放置，也可以水平放置，较多使用。 图7.1(d)所示刀库，刀具为伞状布置，多斜放于立柱上端。 为进一步扩充存刀量，有的机床使用多圈分布刀具的圆盘刀库(图7.1(e))，多层圆盘刀库(图7.1(f))和多排圆盘刀库(图7.1(g))。多排圆盘刀库每排4把刀，可整排更换。后三种刀库形式使用较少
1：基本概念： 1）当前刀具号 当前刀具号是指被安放在主轴上的刀具被用户自定义的ID号，该号码在同一刀库中是唯一的，用户可以在数控系统刀库刀补功能中选择刀库表进行编辑。 在系统中当前主轴上的刀具号在刀库表0位置，0号位置映射的是B188寄存器，所以当前主轴上的刀号对应的断电寄存器是B188所存的值。 刀具号的最大数值不能大于设定的刀库刀具总数。 刀具号和刀库中的刀套号是一一对应的，所以在斗笠式刀库中只需要填写当前刀具号。 2）当前刀位号 刀位号是指当前刀库停在换刀缺口上的那把刀的刀具号。在旋转刀库找刀的时候需 要该数据进行数值计算。 刀位号对应的断电寄存器是B189。 3）最大刀具数量 最大刀套数量是用来定义刀库的最大容量的数值。该数值由B187断电寄存器设定。4）换刀点（第二参考点） 在换刀过程中取刀和还刀的位置称为换刀点，也就是所谓的机床第二参考点。可以在坐标轴参数中进行设置。 5）抬刀点（第三参考点） 松开刀具以后主轴将抬刀到一个安全的避让位置用以避开刀柄的碰撞，此安全位置称之为抬刀点，也就是所谓的第三参考点。
2：斗笠式刀库换刀基本流程 整个流程分为3步 1）还刀过程：Z轴首先抬刀到第二参考点，主轴定向开始，检查是否到达第二参考点，检查当前刀具号和当前刀位号是否对应，如果不对应首先先将刀库转到当前刀位号位置，刀库进到位，刀具松开，Z轴抬刀到第三参考点。 2）选刀过程：旋转到预选刀刀号所对的刀位号。 3）取刀过程：Z轴到第二参考点，刀具紧刀，回退刀库，取消主轴定向。 斗笠式换刀流程图
3：换刀用户自定义循环G代码程序 IF [#190188 EQ #100111] M99 ENDIF M35 ;换刀开始标记 M32 ;换刀检查 G91G30P2Z0 ;定位到换刀位置 M33 ;第二参考点到位检查 M19 ; 主轴定向开 IF [#190188 NE #190189] M26 ENDIF M23 ; 刀库进 G4P1000 M21 ; 刀具松 G4P1000 G91G30P3Z0 ; Z抬刀 M34 ;第三参考点到位检查 G4P1000 M25 ; 选刀 G4P1000 G91G30P2Z0 ; 定位到换刀位置 M33 G4P1000 M22 ; 刀具紧 M24 ; 刀库退 G4P1000 M20 ; 主轴定向关 M36 ;换刀结束标记 注意： #190188表示的是B188寄存器的值； #100111表示的是R111寄存器的值。 IF [#190188 EQ #100111] G[#1] ; 恢复进循环之前模态值 G[#2] M99 ENDIF 该程序段的意思是当两个寄存器的值相等，则表示当前所选刀与当前主轴上的刀号相同，不进行换刀。
加工中心的刀库形式与自动换刀程序的调试 一、实训目的 （ 1 ）了解加工中心的各种刀库形式； （ 2 ）了解机械手换刀的基本动作组成； （ 3 ）掌握加工中心自动换刀程序的编写与调试运行； 二、预习要求 认真阅读加工中心组成、换刀装置、自动换刀程序的编写等章节内容。 三、实训理论基础 1 ．加工中心的刀库形式 加工中心刀库的形式很多，结构各异。常用的刀库有鼓轮式和链式刀库两种。 图 11-1 鼓轮式刀库
（ a ）径向取刀形式（ b ）轴向取刀形式（ c ）径向布置形式（ d ）角度布置形式鼓轮式刀库结构简单，紧凑，应用较多。一般存放刀具不超过 32 把。见图 11-1 。 径向取刀形式（ a ）多用于使用斗笠式刀库的立式加工中心和使用角度布置的机械手换刀装置的加工中心；形式（ b ）应用比较广泛，可用于立式和卧式加工中心，换刀可用机械手或直接主轴移动式换刀。由于从布局设计方面的考虑，鼓轮式刀库一般都采用侧向安装的结构形式，若用于机械手平行布置的加工中心时，刀库中的刀袋（座）通常在换刀工作位可作 90 o 翻转。形式（ c ）多用于小型钻削中心；形式（ d ）一般用于专用加工中心。 链式刀库多为轴向取刀，适于要求刀库容量较大的加工中心。见图 11-2 。 图 11-2 链式刀库 2 ．自动换刀装置及其动作分解 斗笠式刀库换刀装置我们已经在实训 4 中接触过，在此就不再赘述。 对于刀库侧向布置、机械手平行布置的加工中心，其换刀动作分解见图 11-3 。换刀时， Txx 指令的选刀动作和 M6 指令的换刀动作可分开使用。
图 11-3 平行布置机械手的换刀过程 图 11-4 角度布置机械手的换刀过程 对于刀库侧向布置、机械手角度布置的加工中心，其换刀动作分解见图 11-4 。 机械手换刀装置的自动换刀动作如下： （ 1）主轴端：主轴箱回到最高处（ Z 坐标零点），同时实现“主轴准停”。即主轴停止回转并准确停止在一个固定不变的角度方位上，保证主轴端面的键也在一个固定的方位，使刀柄上的键槽能恰好对正端面键。 刀库端：刀库旋转选刀，将要更换刀号的新刀具转至换刀工作位置。对机械手平行布置的加工中心来说，刀库的刀袋还需要预先作90 o的翻转，将刀具翻转至与主轴平行的角度方位。（ 2）机械手分别抓住主轴上和刀库上的刀具，然后进行主轴吹气，气缸推动卡爪松开主轴上的刀柄拉钉。
加工中心刀库调试方法 前言：我司常用的加工中心的刀库分为两大类: 斗笠刀库常用的两种：1、气动式；2、电动式 1、圆盘刀库'也叫刀臂式刀库； 2 一、圆盘刀库的调试 1、检查刀臂的平直度 将百分表固定在主轴上，检测刀臂两端是否平直，如果不平直则必须校正或通知刀库厂家处理 内）。 刀臂检测没有问题后，再把三段式校刀器A 件、B 件分别装在主轴和刀臂上，用 位置。 气动式 电动式 以 （平直度在O.lOmn C 件的松紧度作为参照来调整刀库
三段式校刀器
2、大体校正刀库位置 将刀臂摆到扣刀位置（即在主轴下面，注意观察位置是否已经到位：刀臂将有一段时间保持固定不动，就可以确认已到达扣刀位置），大体校正刀臂和主轴中心孔的位置。 3、调整刀库的水平度 把百分表固定在工作台上'通过支架和刀库的调整块来校正刀臂前后、左右的水平度（水平度在0.15mm以内）如果左右水平度超差，叮以川铜箔垫在刀库支架底部来调整。 4、准确校正刀库位置 准确校正校正好刀臂和主轴中心孔的位置 标准的位置应当是，C件可以轻松通过E件而进入A件的内孔。 注意：刀臂位置相对主轴要往前0?lmm?0?2mm，坚决不能往后，否则换刀时刀臂容易将主轴打坏。 5、再检查刀库水平度 校正好刀臂和主轴中心孔的位置后，再检查刀臂前后、左右的水平度。若水平度超差，则需要重新校正，如此重复第3和第4步，直到符合要求（水平度在0?15mm以内）。 6、检查刀盘电机和刀臂电机的旋转方向 检查刀盘和刀臂的旋转方向是否正确。刀盘正转正确的方向应当是刀套号在递增；刀臂正确的旋转方向应当是刀臂的缺口往前走（注意：刀臂没有反转）。
摘要：加工中心可将铣、镗、钻、铰、攻螺纹等多项功能集于一身，大大提高了生产效率。换刀装置（ATC）是加工中心的重要组成部分，也是加工中心故障率最高的部分，约有50%的机床故障与换刀装置有关。斗笠式刀库是加工中心比较常见的一种换刀装置，在本文中，我结合自己的工作经验，对斗笠式刀库的动作过程及换刀过程中容易出现的故障进行了简要的分析和说明。 关键词：加工中心ATC 斗笠式刀库动作过程故障分析 0 引言 加工中心的一个很大优势在于它有ATC装置，使加工变得更具有柔性化。加工中心常用的刀库有斗笠式、凸轮式、链条式等，其中斗笠式刀库由于其形状像个大斗笠而得名，一般存储刀具数量不能太多，10~24把刀具为宜，具有体积小、安装方便等特点，在立式加工中心中应用较多。 1 斗笠式刀库的动作过程 斗笠式刀库在换刀时整个刀库向主轴平行移动，首先，取下主轴上原有刀具，当主轴上的刀具进入刀库的卡槽时，主轴向上移动脱离刀具；其次主轴安装新刀具，这时刀库转动，当目标刀具对正主轴正下方时，主轴下移，使刀具进入主轴锥孔内，刀具夹紧后，刀库退回原来的位置，换刀结束。刀库具体动作过程如下： 1.1 刀库处于正常状态，此时刀库停留在远离主轴中心的位置。此位置一般安装有信号传感器（为了方便理解，定义为A），传感器Ａ发送信号输送到数控机床的PLC中，对刀库状态进行确认。 1.2 数控系统对指令的目标刀具号和当前主轴的刀具号进行分析。如果目标刀具号和当前主轴刀具号一致，直接发出换刀完成信号。如果目标刀具号和当前主轴刀具号不一致，启动换刀程序，进入下一步。 1.3 主轴沿Z方向移动到安全位置。一般安全位置定义为Z轴的第一参考点位置，同时主轴完成定位动作，并保持定位状态；主轴定位常常通过检测主轴所带的位置编码器一转信号来完成。 1.4 刀库平行向主轴位置移动。刀库刀具中心和主轴中心线在一条直线上时为换刀位置，位置到达通过信号传感器（B）反馈信号到数控系统PLC进行确认。 1.5 主轴向下移动到刀具交换位置。一般刀具交换位置定义为Ｚ轴的第二参考点，在此位置将当前主轴上的刀具还回到刀库中。 1.6 刀库抓刀确认后，主轴吹气松刀。机床在主轴部分安装松刀确认传感器（C），数控机床PLC接收到传感器Ｃ发送的反馈信号后，确认本步动作执行完成，允许下一步动作开始。 1.7 主轴抬起到Ｚ轴第一参考点位置。此操作目的是防止刀库转动时，刀库和主轴发生干涉。 1.8 刀库旋转使能。数控系统发出刀库电机正/反转启动信号，启动刀库电机的转动，找到指令要求更换的目标刀具，并使此刀具位置的中心与主轴中心在一条直线上。 1.9 主轴沿下移到Z轴的第二参考点位置，进行抓刀动作。 1.10 主轴刀具加紧。加紧传感器（D）发出确认信号。 1.11 刀库向远离主轴中心位置侧平移，直到PLC接收到传感器A发出的反馈确认信号。 1.12 主轴定位解除，换刀操作完成。 刀库仅有以上四个传感器是不够的，为了保证数控机床的安全，保证刀库的换刀顺利完成，在斗笠式刀库中一般还安装刀库转动到位确认传感器（E），保证刀库转动停止时，刀具中心线位置和主轴中心线在一条直线上。
关于加工中心刀库调试与控制方法研究 摘要：笔者在调试基于西门子数控系统配机械手刀库的加工中心过程中，研究开发了机械手刀库的换刀宏程序和相应的PLC程序。本文将介绍应用西门子系统专用OEM指令开发机械手刀库换刀程序的关键技术。 关键词：加工中心刀库控制数控系统 为了在数控系统显示屏幕上能观察到刀库的运动和刀具号的变化，必须使用数控系统内置的虚拟刀库功能。在西门子数控系统中有内置虚拟刀库的功能，该虚拟刀库可以模拟外部实际刀库的动作，其优越性是在显示屏上可以观察到刀库的正反转和各刀位内的实际刀具号，也可以观察到主轴上的刀具号以及需要更换的下一刀具号。 1、刀库调试中的问题分析 刀库的初始化初始状态为主轴刀号为0号刀，刀盘按当前刀位为1号刀顺序装刀。必须在PLC程序中预先用开关信号做刀库初始化，设置当前位置刀号和主轴刀号。在选刀及换刀宏程序中，必须做刀号比较判断及足够的安全保护条件。经过仔细观察刀库的动作，发现当刀库计数接近开关的红灯熄灭时，刀库才进入刀位的正确位置。因此必须用计数接近开关脉冲的下降沿做停止条件。在PLC 中改用下降沿脉冲后，果然能正确定位。也有刀库计数器是使用脉冲的上升沿做停止条件的，要根据实际情况确定。为了保护刀库的安全工作，充分利用了西门子系统所具有的位置开关功能。即可以通过参数在Z轴上设定位置开关，位置开关的位置区域就是Z轴的换刀点。只有Z轴进入该位置区域，位置开关=ON，刀库才能前进卡刀。 2、西门子数控系统内置刀库的设置 2.1 刀库用特殊寄存器的功能 在使用内置刀库之前必须进行必要的设置。西门子数控系统中规定了一些固定的文件寄存器用以表征刀库的基本性能，这些R寄存器的功能如下。R10600：刀库基本控制参数。bit：设定刀号长度，是T4还是T8，一般选择T4。Bit1：设定刀库从1还是0开始计数。控制参数寄存器R10600的定义bit3：对各刀具库的设定。 bib=0，刀库数固定设置。即系统内同定设定有刀库3个，每个刀库内固定设定刀具数为120，刀具总数可达360。bit3=1，可设定的刀库数=5，每一刀库内的刀具数可以任意设定。刀具总数可达360。R10610：每一刀库内的刀具数，也就是每一刀库内有几把刀，这是一重要参数。R10620：主轴刀具号。该R寄
第30卷第3期2009年3月 煤矿机械 Coa lM ine Mach i n er y Vo.l30No.3 M ar.2009加工中心斗笠式刀库换刀装置设计 张宇1,夏晓平2 (1.常州工学院,江苏常州213002;2.常州工程职业技术学院,江苏常州213003) 摘要:加工中心斗笠式刀库由刀库横移装置、刀库分度选刀装置以及主轴上的刀具自动装卸机构组成。横移装置使刀库以直线运动的方式,从起始位置运动到换刀点进行换刀。在运动过程中速度表现为正弦曲线的运动规律,减小了刀库的运动冲击,保证刀库准确定位,满足换刀的技术指标要求。刀库分度装置采用电机驱动,定位法兰每回转一圈,分度盘反向转过一个刀位,从而使刀库轮毂得到周期性间歇运动,起到刀库的转位分度作用。其分度槽槽数(容刀量)越多,刀库转位越平稳,另一方面,槽数的增加会导致刀库尺寸的增加。因此,正确合理地选择刀库容量就显得尤为重要。 关键词:刀库;横移装置;容刀量;分度盘;定位法兰;运动分析 中图分类号:T G659文献标志码:B文章编号:1003-0794(2009)03-0100-03 Desi gni ng of ToolChanger i n Ba mboo Hat ATC ofM ac hi ne Ce ntre ZHANG Yu1,X IA X i a o-p i ng2 (1.Changzhou Instit ute Technol ogy,Changz hou213002,Ch i na; 2.Changzhou Institute of Engi neer i ng Technol ogy,Changzhou213003,Ch i na) Abstr act:The ba mboo hatATC ofmachine centre is made up of the horizonta lmoving device,d i v iding device and cla mping&re leasi n g tool device i n t h e sp i n dle.The ATC moves i n a li n e on t w o col u mn slide way,f ro m start point to end poi n t to fi n ish changi n g tools.The moving speed of ATC obeys si n usoida l rule,wh ich reduces shocks i n the ATC move men.t It ensures a accurate position i n g of the ATC,and met the tool changi n g requ ire men.t The divi d i n g device is divi d ed by divi d i n g motor.D ivi d i n g d isk rotates one tool roo m wh ile positi o n flange rotates one c ircle.It makes tool whee l gai n a period ical i n ter m ittent rotati n g action,and the ATC gai n s a divi d i n g action.The more divi d i n g slo,t the more stably ATC ro2 tates.O ther w ise,the i n cre ment of slots leads to i n cre ment of size of ATC.So it is very i m portant to ex2 actl y select the tools capac ity ofATC. K ey w ords:ATC;horiz ontal movi n g device;tools capacity;divi d ing disk;positi o n flange;acti o n ana2 l y ze 0引言 加工中心换刀方式一般可以分为有机械手换刀和无机械手的换刀,有机械手换刀方式的刀库一般为链式,无机械手换刀方式的刀库一般为盘式。无机械手换刀方式一般适用于立式加工中心,原因是它运动集中,运动部件少,但受立式加工中心机床尺寸大小的限制,刀库鼓轮盘尺寸一般不宜太大,即刀库的容量不能太大。斗笠式刀库,结构上为盘式刀库,换刀方式属于无机械手换刀系统。 斗笠式刀库换刀步骤:(1)刀库横移装置移动到主轴箱可以达到的位置;(2)刀库分度装置进行选刀,通过精准地分度、定位,把下个工序所需的刀具送到指定位置;(3)主轴上的自动装卸机构准确取刀、送刀。所以横移装置和分度装置是斗笠式刀库的重要组成部件。 1斗笠式刀库装置设计 (1)斗笠式刀库横移装置设计 刀库的横移装置是在进行换刀的整个过程中,刀库从远离主轴的位置直线移动到主轴轴线位置,以实现换刀。该机构运动的动力部件是刀库电动机,电机轴实现旋转运动,使刀库实现直线移动。 斗笠式刀库横移装置由2根圆柱导轨(滑杆)支撑,每根圆柱导轨由2个支架固定在连接板上,连接板固定在机床立柱上,实现刀库与机床立柱的连接。整个刀库可以在2根圆柱导轨上滑动,实现刀库前后运动,以完成抓刀和返回动作。而刀库前后运动的原动力是由电机通过拨杆和滑块实现的(见图1)。 当加工中心进行零件加工的时候,刀库远离主轴,停留在最左边极限位置1,即刀库处于原位。收到换刀指令后,电机通过电机轴逆时针方向旋转带动拨杆转动(拨杆上带有滑块),滑块与拨杆联接,跟随拨杆回绕电机轴旋转,滑座上开有滑槽,滑块在滑槽中上下移动,带动滑座(即刀库)向右移动,从而使刀库运动到右极限位置2,到达换刀位置,等待取刀及放刀电机轴顺时针方向旋转时使刀库返回。
1常见的过载报警及解决方法 故障现象：某配套FANUC-0M系统的数控立式加工中心，在加工中经常出现过载报警，报警号为434，表现形式为Z轴电动机电流过大，电动机发热，停上40min左右报警消失，接着再工作一阵，又出现同类报警。 分析及处理过程：经检查电气伺服系统无故障，估计是负载过重带不动造成。 为了区分是电气故障还是机械故障，将Z轴电动机拆下与机械脱开，再运行时该故障不再出现。由此确认为机械丝杠或运动部位过紧造成。调整Z轴丝杠防松螺母后，效果不明显，后来又调整Z轴导轨镶条，机床负载明显减轻，该故障消除。 2数控机床转台分度不良的故障维修 故障现象：一台配套FANUCOMC，型号为XH754的数控机床，转台分度后落下时错动明显，声音大。 分析及处理过程：转台分度后落下时错动明显，说明转台分度位置与鼠齿盘定位位置相差较大；如果回零时位置同时也有错动，则可调节第4轴栅格偏移量(参数0511)来解决：如果转台传动有间隙，则可调节第4轴间隙补偿(参数0538)；如果机械螺距有误差，则
相应调整第4轴螺补。本例中发现转台回零后也有错动，调整0511数值后解决 3刀库不停转的故障维修 故障现象：一台配套FANUC0MC系统，型号为XH754的数控机床，刀库在换刀过程中不停转动。 分析及处理过程：拿螺钉旋具将刀库伸缩电磁阀手动钮拧到刀库伸出位置，保证刀库一直处于伸出状态，复位，手动将刀库当前刀取下，停机断电，用扳手拧刀库齿轮箱方头轴，让空刀爪转到主轴位置，对正后再用螺钉旋具将电磁阀手动钮关掉，让刀库回位。再查刀库回零开关和刀库电动机电缆正常，重新开机回零正常，MDI方式下换刀正常。怀疑系干扰所致，将接地线处理后，故障再未出现过。 4换刀不能拔刀的故障维修 故障现象：一台配套FANUC0MC系统，型号为XH754的数控机床，换刀时，手爪未将主轴中刀具拔出，报 警。 分析及处理过程：手爪不能将主轴中刀具拔出的可能 原因有： ①刀库不能伸出；②主轴松刀液压缸未动作；③松刀
斗笠式刀库的动作过程 斗笠式刀库在换刀时整个刀库向主轴平行移动。（1）还刀取下主轴上原有刀具，当主轴上的刀具进入刀库的卡槽时，主轴向上移动脱离刀具。（2）抓刀刀库转动，当目标刀具位于主轴正下方时，主轴下移，使刀具进入主轴锥孔内，刀具夹紧后，刀库退回原来的位置，换刀结束。 斗笠式刀库换刀过程动作图 PMC和NC程序的配合 PMC在整个换刀过程中主要控制刀库的正反转、刀库的前进后退、松刀紧刀阀动作。 NC程序控制主轴的上升和下降、主轴定位。
N19 M99 :9001 (参数6071) N1 IF[#1000EQ1]GOTO19 (T CODE=SP TOOL) T代码等于主轴刀号，结束N2 #199=#4003 ( G90/G91 MODLE) N3 #198=#4006 (G20/21 MDOLE) 保留之前的模态信息N4 IF[#1002EQ1]GOTO7 ( SP TOOL=0) 主轴无刀，直接抓刀N5 G21G91G30P2Z0M19 回第2参考点，M19定向，准备还刀N6 GOTO8 N7 G21G91G28Z0M19 回第1参考点，M19定向，准备抓刀N8 M50 刀库准备好（使能）N9 M52 刀库靠近主轴N10 M53 松刀吹气N11 G91G28Z0 回第一参考点N12 IF[#1001EQ1]GOTO15 (T CODE=0) 如果指令T0，则无需抓刀N13 M54 刀盘旋转G04X3.0 N14 G91G30P2Z0 回第二参考点N15 M55 刀具卡紧 N16 M56 刀盘远离主轴 N17 M51 旋转结束 N18 G#199G#198 恢复模态