加工中心换刀装置换刀位置的设置与高效率换刀方法的研究

朴成道，尹凤哲

(延边大学工程训练中心，吉林延吉133002)

数控加工中心是加工复杂形状工件的高效率自动化机床，加工中心与一般数控机床最为显著的区别是加工中心具有刀库和自动换刀功能。加工中心在一次装夹中，按不同的工序自动选择和更换刀具自动完成铣、钻、扩、镗、铰、攻螺纹和内槽加工等多工序、连续加工。因此加工中心在加工过程中可以大幅减少工件装夹等非切削工作时间，能够大幅提高机床的有效切削时间在机床开动时间中所占的比例。据统计:普通机床的有效切削时间只占整个机床开动时间的15% ～20%，而加工中心的有效切削时间可达到整个机床开动时间的80%左右。加工中心在加工过程中需要设置换刀位置，并通过设置的换刀位置进行频繁的换刀操作。加工中心换刀装置由刀库、主轴、机械手三部分组成，所谓“换刀位置”是指这三者之间换刀时的相互位置。

加工中心换刀装置组成部件之间的相互位置精度即换刀位置精度，直接影响自动换刀的准确性和可靠性。加工中心在实际使用过程中经常发生由于碰撞、定位紧固件松动等原因引起换刀位置发生变化而造成不能正常换刀、撞坏机械手等故障现象。换刀位置发生变化后，重新设置换刀位置且保证换刀位置的几何精度是加工中心日常维护和维修中的重要内容。此外，在换刀频繁的加工中心加工过程中，换刀效率对加工中心的生产效率有很大的影响。文中以韩国HWACHEON 公司生产的立式加工中心为例，介绍立式加工中心换刀装置换刀位置的设置方法和高效率换刀方法。此机床为典型的小型模具加工用移动横梁式立式加工中心，配置FANUC-18iMB 数控系统，自带36 把刀具的自动刀库和机械手换刀机构，如图1 所示。

图1 立式加工中心的外观和结构

1 加工中心换刀位置的设置

立式加工中心换刀装置的换刀过程是根据加工中心数控系统的指令由机械手把所需的刀具从刀库的刀套中取出并把取出的刀具装入主轴孔的过程。数控系统发出T 代码指令后，其执行换刀动作的过程如下:刀库的回转电机把选择的刀具送到刀具交换位置→气缸推动选刀的刀套向下翻转90° (倒下)→主轴自动返回换刀点，并完成主轴准停→机械手通过垂直方向的上、下运动，实现“拔刀”动作→机械手在水平方向旋转180°，使主轴刀具与刀库刀具交换相互位置→分别把交换后的刀具插入主轴和刀库的刀套实现“装刀”动作→机械手回原点，气缸推动刀套上翻90°，完成整个换刀过程。

由于各种原因，加工中心换刀装置的换刀位置发生变化后，如果不及时重新设置或设置不正确，必将导致加工中心无法交换刀具或者刀具可能会和刀架和主轴发生碰撞而损坏刀架与主轴以及机械手。因此在加工中心的日常维修中，换刀位置的设置是值得重视的一个问题。

1.1 刀库换刀位置的设置

加工中心的刀库是独立刀库，是存放加工过程中所需刀具的装置，取送刀具的操作都是在刀库中的某一固定位置即刀库的换刀位置上进行。立式加工中心刀库的换刀位置依靠刀套的定位片来定位。机床发生碰撞等故障时，刀套上的刀具定位片会发生松动、磨损、脱落，引起刀库换刀位置发生变化，将导致刀具上的定位键槽无法与刀套定位片和机械手上的定位片准确、可靠地定位。重新设置刀库换刀位置的方法是:首先松开固定刀套定位片的紧固件，其次用手动的方法分别对刀套定位片与刀具定位键槽、刀套定位片与机械手定位片进行反复的找正操作，使换刀位置误差保持在0.1 mm 以内。此外，刀套发生裂纹或刀套内锥面及锁紧元件的磨损都将导致刀具从刀套中掉下，因此经常对刀套的外部和内部进行检查，发现问题应及时更换刀套，以确保换刀的可靠性，避免不必要的损失。

1.2 主轴换刀位置的设置

由于刀具装在主轴上，主轴换刀位置的准确性会直接影响机械手的抓刀和刀具的锁紧。主轴换刀位置的设置和主轴的切削扭矩的传递均依靠主轴上的两个定位键。加工中心换刀时，主轴定位键必须与刀柄上的键槽相吻合，才能保证把刀具顺利装入主轴孔中。为保证准确、顺利地换刀，主轴必须停止在某一固定角度的方向即主轴定向。主轴定向就是使加工中心主轴的定位键、刀具的定位键槽、机械手上的定位键保持一定的角度，确保准确、顺利的换刀操作。在加工过程中发生因主轴定位不准而引发刀具锁不紧、刀具插不到主轴孔等故障时，必须通过修改主轴定位角度的方法重新设置主轴的换刀位置。具体步骤如下:

(1)用手动的方法旋转机械手驱动电机，把机械手移动到主轴换刀位置附近。

(2)机床转换为手动方式，主轴回换刀位置，将机械手置于换刀位置。用手动旋转主轴的方法，反复确认使主轴的定位键定位于机械手键槽的中间位置。

(3)在操作面板上按【SYSTEM】 →【诊断】的顺序按相应的功能键，在该操作面板上查找“第一主轴位置数据”参数No:445，并记录该参数栏目中的数值。

(4)在操作面板上按【SYSTEM】 →【PARAM】的顺序按相应的功能键，在该操作面板上查找“位置编码器方式定向停止位置”参数No:4031，清零该参数的数值并填写步骤(3)中记录的数值。

(5)让主轴旋转之后执行主轴准停指令，检查主轴换刀位置是否符合精度要求。如果不符合，则重复步骤(2)— (4)重新设置主轴的换刀位置。

1.3 机械手换刀位置的设置

机械手是换刀过程中必不可少的重要部件，其功能是当主轴上的刀具完成现有的切削工序之后，把已完成切削的刀具送回刀库，同时为了连续完成下一步的切削工序，把下一步切削所需的刀具从刀库中取出并装入主轴。机械手的换刀位置精度直接左右换刀操作的准确性和可靠性。如果在加工中心加工过程中发生机械手抓刀后锁不紧、机械手上锁刀块不到位卡在刀脖等故障时，必须通过修改机械手Z 方向坐标即机械手换刀位置高度的方法重新设置机械手的换刀位置。具体步骤为:在操作面板上按【SYSTEM 】→【PARAM】的顺序按相应的功能键，在该操作面板上查找“每个轴的网格位移值/参考位置位移值”参数No:1850，并反复修改该参数栏目数值进行机械手换刀位置的找正操作，直至满足换刀精度要求。

此外，机械手上的两个定位键的松动和磨损直接影响刀具定位键槽与之准确定位，导致换刀时无法将刀具准确地安装在主轴和刀套上，甚至还会发生刀具从主轴上或刀库的刀套中掉落的事故。因此要经常检查、更换、机械手的紧固定位键。

虽然刀库、主轴、机械手的换刀位置均可以单独调整，但必须保证三者的中心位置在同条直线上。

2 高效率换刀方法

数控加工的发展趋势是高效率化，加工中心换刀效率是影响数控加工高效率化的重要因素。加工中心使用M 代码进行换刀，执行换刀之前，应满足机床换刀位置复位、关闭冷却切削液、主轴停止和准停等必要的换刀条件。换刀条件也是换刀程序不可或缺的部分，满足换刀条件需要多个程序段。为了提高加工中心的换刀效率，利用FANUC 用户宏程序设计加工中心的自动换刀程序。

2.1 自动换刀子程序

移动横梁式立式加工中心的换刀程序应包括下列内容:(1)关闭冷却切削液;(2)取消固定循环模式;(3)取消刀具半径偏置; (4)主轴停止转动;(5)主轴返回机床Z 轴参考位置原点;(6)主轴返回机床X 轴第二参考位置的原点;(7)进行换刀操作;(8)取消刀具长度偏置;(9)从参考点返回X轴原点。加工中心多刀加工时，每次编写的自动换刀程序内容都一样，因此把每次重复的自动换刀程序可以编写成换刀子程序，通过宏程序M 代码调用功能调用该换刀子程序。加工中心自动换刀子程序O9020如下:

2.2 子程序的调用

通过宏程序M 代码调用功能调用O9020 自动换刀子程序，从而实现M106 高效率换刀功能。具体方法为:给调用自动换刀子程序O9020 用户宏程序的M 代码参数No:6080 中输入数字106，即可用M106调用换刀子程序O9020，实现高效率换刀功能。

主程序格式:M106 Tx;

其中:M106 表示自动换刀用宏程序M 调用;Tx 为刀具号。

利用上述换刀子程序的换刀方法，可使加工中心多刀加工程序的编程变得简洁、方便，并且增强了程序的安全性。

3 结束语

加工中心的换刀动作是依靠机械手将刀库与主轴上的刀具进行交换的方式完成。加工中心在使用过程中由于各种原因引起换刀位置的改变之后，能够迅速、准确地设置换刀位置是相当重要。加工中心换刀方法的选择直接影响加工程序的编程效率、安全性以及机床的加工效率。通过实际生产现场的试用，加工中心换刀位置的设置方法和基于子程序的加工中心高效率自动换刀方法，对提高加工中心加工精度和加工效率的研究与实现方法具有实用价值，值得推广。

［1］单淑梅．加工中心换刀装置换刀点的调整［J］．工具技术，2012(4):87－88．

［2］杨久奎，吴一芳．立式加工中心换刀系统常见故障及处理方法［J］．汽车工艺与材料，2013(6):51－60．

［3］陈铁铭，崔元刚．谈适合于ATC 换刀特点的MG 换刀程序编写［J］．中国机械制造业信息化，2012(10):96－99．

［4］李继中．提高加工中心换刀效率的方法研究［J］．工具技术，2012(2):40－44．

［5］梁毅，曾力．一例加工中心换刀故障维修［J］．制造技术及机床，2013(11):148－119．

［6］黄道业．加工中心换刀宏程序的优化［J］．机械工程师，2009(11):119－120．

［7］FANUC 公司．FANUC Series 18i-MB 系统操作说明书［M］．2006．

［8］FANUC 公司．FANUC Series 18i-MB 维修说明书［M］．2006．