加工中心自动换刀系统changer system control of machine center with carouselstorage 摘要：针对刀套编码的盘式刀库加工中心，阐述其换刀过程，提出一种结合加工程序、换刀程序和PMC 程序以及参数设置来实现自动换刀控制的思路。

同时结合实例给出换刀程序代码和关键PMC 程序。

关键词：加工中心; 自动换刀; 数控; 换刀系统。

Abstract：It analyses the ATC process of machine center with carousel storage.A control method to realize ATC using Gcodes,macor program ,PMC program and parmeter setting is proposed. Examples given in connection with tool changing code and key PMC procedures. Keywords：ATC；NC ；PLC；
设计背景：自动换刀系统是数控机床的重要组成部分。

刀具夹持元件的结构特性及它与机床主轴的联结方式，将直接影响机床的加工性能。

刀库结构形式及刀具交换装置的工作方式，则会影响机床的换刀效率。

自动换刀系统本身及相关结构的复杂程度，又会对整机的成本造价产生直接影响。

从换刀系统发展的历史来看，1956 年日本富士通研究成功数控转塔式冲床，美国IBM 公司同期也研制成功了“APT”(刀具程序控制装置)。

1958 年美国K&T 公司研制出带ATC(自动刀具交换装置)的加工中心。

1967 年出现了FMS(柔性制造系统)。

1978 年以后，加工中心迅速发展，带有ATC 装置，可实现多种工序加工的机床，步入了机床发展的黄金时代。

1983 年国际标准化组织制定了数控刀具锥柄的国际标准，自动换刀系统便形成了统一的结构模式。

目前国内外数控机床自动换刀系统中，刀具、辅具多采用锥柄结构，刀柄与机床主轴的联结、刀具的夹紧放松机构及驱动方式几乎都采用同一种结构模式。

在这种模式中，机床主轴常采用空心的带有长拉杆、碟形弹簧组的结构形式，由液压或气动装置提供动力，实现夹紧放松刀柄的动作。

利用这种机构夹持刀具进行数控加工的最大问题是，它不能同时获得高的夹持刚度和刀具振摆精度，而且主轴结构复杂，主轴轴向尺寸过大，加上它的液压驱动装置及刀具辅具锥柄的制造成本，使得自动换刀系统的造价在机床整机中占有较大的比重。

据有关资料介绍，在刀具采用锥柄夹头、侧压夹头以及弹簧夹头夹紧性能的对比实验中，采用弹簧夹头夹持刀具是唯一可同时获得高的夹持刚度和振摆精度的理想元件。

采用这种夹持元件，刀具或刀具辅具可作成圆柱柄，其制造成本低，精度易保证，这对大容量刀库降低刀具辅具的制造成本，意义更为显著。

在现代数控机床上亦有采用弹簧夹头作为刀具的夹持元件，但机床的主轴结构、驱动方式仍然采用与上述锥柄刀具完全相同的结构形式。

采用这种结构模式，在实际数控加工中，尤其是在需要超高速主轴、主轴的径向、轴向尺寸都很小、没有足够的换刀空间的微细加工场合中实现自动换刀将会是很困难的，如果实施自动换刀那将使机床成本大幅度提高。

如在CNC 控制磨削球面铣刀的数控磨削机床上，直接由高速电机驱动主轴，使用小直径盘形砂轮和指形砂轮加工球面铣刀，换刀空间很小，在这种条件下，将难以实现自动换刀。

国外最新研制的内圆磨床上采用的弹簧夹头自动换刀装置售价昂贵。

设计内容：设计内容数控加工中心由于配有刀库和自动换到系统，能实现一次庄家完成多道工序，减少专用夹具数量，缩短了生产准备时间，同时减少了多次安装多造成的定位误差，提高了加工进度，能实现高效率的加工。

所以自动换刀系统的性能的好坏直接影响到数控机床的加工效率和效果。

一、刀库选刀的控制方式自动换刀装置可以定义为：一种能数控机床单元发出的命令从到库中选择和更换刀具的装置。

加工中心自动换刀程序有两部分：刀具选择和道具更换。

目前刀具选择一般有四种控制方式：顺序选刀方式，刀具编码方式，刀套编码方式，计算机记忆随机换刀方式。

其中刀套编码方式是对刀库个个刀座预先编码，每把刀具放入刀座之后就有了相应刀具的编码，即刀具在刀库中的位置是固定的。

刀库一般采用链式或者轮式，当然，目前还有一些别的形式的刀库，例如球形刀库、盒式刀库等。

二、换刀动作过程介绍图一为盘式加工中心换刀过程图。

若现在主轴上的刀具为 1 号刀，则执行M06 TO2 的换刀过程如下：
1、如图一a 所示，首先将刀库当前位置旋转至1 号刀所在的刀座。

2、如图一b 所示，主轴下降至Z 轴换刀点，同时主轴准停。

3、如图一c 所示，刀库前进，使一好刀具进入刀库一号刀座。

4、如图一d 所示，主轴松刀，1 好刀具进入刀库原位，然后主轴上升。

5、如图一e 所示，刀库旋转，将2 号刀旋转到刀库当前位置。

6、如图一f 所示，主轴下降到2 号刀所在位置，同时主轴上刀具夹紧装置把2 号刀夹紧。

7、7、如图一g 所示，刀库退回到原位。

换到过程结束。

三、自动换刀系统的控制自动换刀系统控制的总体思路是：运行M06 加工程序代码时自动调用换刀程序，该程序实现一系列换刀动作过程控制。

换刀程序中的辅助指令功能则有PLC 程序实现。

同时要设置相应的参数使以上过程生效。

加工程序、换刀程序和PLC 之间的关系如图二所示。

下边分别说明参数、换刀程序和PLC 程序的编制。

1、参数设置涉及自动换刀系统的参数有：#1195：使用M 代码调用换刀程序；#7001=6：运行M06 代码调用换刀程序。

#3207：设置主轴准停角度；#2238：设置抓刀频率；#8206：设置换刀点坐标。

2、换刀程序的设计程序代码M06 调用O0011 换刀程序，其程序流程图如图三。

其中需要的辅助指令和准备指令有M19 主轴准停。

M77 选刀，即将刀库中主轴刀好所在刀座旋转到当前位置。

M78 刀库旋转，将编程刀号旋转到当前位置。

M80 刀库向前。

M81 刀库退回。

M82 主轴松刀。

M83 主轴紧刀。

C30.1 回到一号换刀点。

3、PMC 程序设计与刀库自动换刀有关的梯形图主要是实现换刀程序O0011 中使用的辅助指令的译码功能，如M19、M77、M80、M81、M82、M83 等。

现在以M78 刀库编程为之旋转至当前位置为例说明PMC 关键程序设计。

旋转功能指令格式介绍如旋转物体的目标位置,旋转方向和环计数器。

该命令可用来确定旋转方向和步进数命令格式如图
4、S.ROT K1：旋转指令Rn:控制缓冲区数据位置，指定R 标号：其中:设Rn 中的值为Rp ,则Rp 参数的含义如下: 结束总结该机械手卡爪夹紧机构结构简单,经优化设计,使其结构更加紧凑,可靠性更高参考文献[1]熊光华.《数控机床[M]》.
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