对数控机床所用盘式刀库的换刀时间的研究

史佳兆

（广州珠江机床厂有限公司，广东 广州 511450）

由于目前盘式刀库在机床制造行业的大量应用，并且盘式刀库的换刀时间直接影响机床的使用性能，也是客户选择机床的一个重要指标，所以很有必要对盘式刀库的换刀时间进行研究，使刀库的使用性能尽大的发挥出来，缩短刀库换刀时间，增加机床产品的竞争优势。

1 换刀时间的评定方法[1]

目前自动换刀的评定时间主要有以下三种：

（1）刀到刀时间：指拔刀，换刀，插刀动作所需要的时间[2]。

（2）全部动作所需要的时间：即换刀装置完成全部换刀动作所需要的时间总和。

（3）切削到切削时间：即“一把刀具从加工区内的参考位置起经换刀至下一把刀具到达相同的位置的时间间隔”。

此文章主要是针对换刀时间评定方法2所做的研究，即自刀套翻下经过抓刀，松刀，拔刀，换刀，插刀，拉刀，手臂复位，刀套翻上等动作所需时间的总和。

2 研究方法

本研究利用FANUC数控系统的信号跟踪功能[3]，对所编制的刀库控制PLC梯形图进行监控及时序跟踪，然后对监控的结果进行分析研究，进而得出结论。

3 实施过程及结果

3.1 研究设备选用

研究以德大快速刀库DF-MR4AEZR02A01-01为研究对象，以配有FANUC 0i-mate-MD系统的立式加工中心为平台，利用CF存储卡为存储介质。

3.2 研究过程

（1）明确换刀流程，将CF存储卡插入准备好的数控系统接口，将提前编制好的PLC梯形图程序输入加工中心数控系统。

（2）试机，进行多次相关检测运行，并编制好换刀程序，进行多次换刀检测，保证机床可以正常使用。

（3）将相关需要检测的信号在信号跟踪设定画面进行设定。

（4）在不监控跟踪信号的情况下，执行一次换刀动作，保证主轴已经在换刀位置且已在定向位置，不再移动坐标轴及转动主轴，以免增加辅助动作对换刀动作时序监控的影响。

（5）选择当前刀套号中的刀具，保证刀库不再转动；执行换刀程序，并启动信号跟踪监控。

（6）待换刀动作结束，停止信号跟踪，即可得到换刀动作跟踪时序图,通过屏幕下方软件调整画面，可得图形如下:

图1 盘式刀库换刀动作时序监控图

信号说明：

Y4.3为刀套倒刀输出信号；

X6.0为刀套倒出检测信号；

Y4.4为刀套回刀输出；

X5.7为刀套倒刀输出；

R0311.0为换刀机构原位检测信号；

Y4.2为换刀机构刀臂运转信号；

Y3.3为主轴松刀信号；

X8.0为刀具松开检测信号；

X8.1为刀具夹紧检测信号。

图形说明：

图中白色的方格表示信号“1”，黑色的方格表示信号“0”；

1个小方格的分辨率是128ms；（注：数控系统平台上可以显示达到8ms）；

（7）将图形输出，存档。

4 图形分析

4.1 计算分析

（1）实际换刀动作总时间，即从刀套倒下开始的，那么可利用信号X5.7(刀套水平信号)来计算整个换刀动作所用的时间，即X5.7为0的时间即为换刀动作的总时间，那么我们可以利用图形计算出总时间T总=128×27=3.456 s；

（2）理想换刀总时间，即为刀臂在换刀指令发出就开始不中断运行直到换刀动作完成，此过程中换刀开始时候刀套已经提前倒下，扣刀的时候刀具刚好松开，而且动作结束时候不用等待刀套倒回。那么可利用Y4.2(刀臂运转信号)来计算理想换刀时间，T理想=128×（2+6+2）=1.28 s；

（3）刀臂运转前等待时间：从图1中可以看出，从Y4.3(刀套倒下信号)发出，即换刀指令执行到Y4.2(刀臂运转信号)执行，T倒下=128×6=0.768 s；

（4）刀臂拔刀前等待松刀时间，即为Y4.2(刀臂运转信号)第一段的停止时间，T松刀=128×4=0.512 s；

（5）刀臂插刀后等待紧刀的时间：从图1中可以看出，等待紧刀时间即为Y4.2(刀臂运转信号)，则第二段的停止时间T紧刀=128×2=0.256 s；

（6）刀臂动作完成后换刀指令完成前等待刀套回刀的时间，即为从Y4.2(刀臂运转结束信号)结束到X5.7(刀套水平信号)出现这一段时间，则T倒回=128×7=0.896 s。

4.2 计算分析结果

从图形分析来看：刀套的动作（包括刀套倒下与刀套倒回），是主要影响换刀流程时间的主要因素之一，其次是主轴松拉刀动作时间。

5 刀库换刀时间的优化措施

从以上分析得出，影响换刀动作的主要因素之一是刀套的动作时间，那么我们可以在控制时序上进行改进，即在主轴移动到换刀点的同时执行倒刀操作，在刀臂执行完换刀动作后就结束换刀指令，之后刀套倒回，主轴加工不受干扰，即可节省换刀时间T，则T节刀套=T倒下+T倒回=0.768 s+0.896 s=1.664 s。

影响换刀时间的主要因素之二是松拉刀时间，从图中可以看出在刀臂结束后，刀具才开始松刀，拔刀前刀臂需要等待松刀动作，如果我们在刀臂还没到达扣刀点前提前松刀，那么换刀的时间也是可以减少的，但此方法需要多次试验，如果时间配合不好就可能发生危险；其次还有刀臂插刀之后等待拉刀的时间，由于装刀方式的限制，此时间只能取决于打刀缸的动作时间，所以要想提高刀换刀时间，选择合适的打刀机构也是很重要。如果松刀可以配合的很好，那么即可节省松刀时间T节松=0.512 s。

6 结束语

通过此次研究可以发现影响刀库换刀时间的主要因素，从而提出优化措施，进而得知相同的刀库不同的逻辑，刀库的换刀时间相对来说相差很大，所以准确的了解刀库的换刀动作时序，合理地编制控制逻辑，可以帮助我们更好的控制刀库，节省换刀时间，从而可以提升刀库的使用性能，同时也可以提升产品的竞争力。

[1]廖里仁.加工中心换刀装置换刀时间评定方法探讨[J].制造技术与机床,2000，(10):7-8.

[2]王科社，盛伯浩.加工中心换刀装置换刀时间评定方法探讨[J].组合机床与自动化加工技术，2001，(04):44-46.

[3]FANUC SERIES OI-MATE-MODEL D，维修说明书[Z].B-64305CM/01):229-2378.