菲迪亚高速龙门铣床增加自动化刀库改造研究

肖万川

（四川成飞集成科技股份有限公司，成都 610091）

数控龙门铣床配置各类刀库实现自动换刀的方式多种多样。刀库的主要部件由刀库和刀具交换机构组成。机床和主轴的结构及空间位置决定了刀库样式。刀库的形式有很多种，结构也各不相同。在龙门数控铣床上，最常用的有伞形刀库、盘式刀库、链式刀库和直线式刀库等[1]。

1 设计中刀库结构的选择

目前，数控机床常见的刀库种类有直线排列式刀库、夹臂式刀库、转塔式刀库、圆盘式刀库、伞形刀库以及链式刀库等。其中：直线排列式刀库、夹臂式刀库、伞形刀库无须机械臂换刀，占用空间小，结构简单，常用于中小型机床；转塔式刀库结构紧凑，多用于车削中心[2]；圆盘式刀库结构比较复杂但工作可靠性高，在中型加工中心使用普遍；链式刀库结构非常复杂，一般用于刀库数量较大的大型龙门加工中心。从结构复杂程度、安装难易程度、空间尺寸以及经济性等各方面综合考虑，最终选用台湾圣杰牌DV0320T 伞形刀库，如图1 所示。

它由三相异步电机连接凸轮分度间歇运动机构带动刀盘旋转（如图2 所示），实现刀具的位移。这种结构比较符合任务要求，刀库结构简单，占用空间小，故障率低，价格便宜，成熟稳定，且已在公司现有亚太菁英机床GL27 上得到了应用，如图3 所示。亚太菁英GL27 机床于2011 年安装并投入使用，至今刀库未出现过故障，可见此类型刀库的稳定性良好。刀库的基本规格，如表1 所示。

表1 刀库的基本规格

刀库安装在底座上，由气缸将刀库推出，使用机床坐标轴X轴、Y轴和主轴Z轴移动来实现换刀。刀库总成安装在工作台X轴正向里侧机床空置区域，如图4 所示。需要注意，刀库推出换刀时会占用工作台X轴的部分行程。

2 机床换刀的实现

2.1 刀库与机床的电气连接改造

刀库的供电电源、气缸控制和检测信号的反馈等，都需要与机床进行连接。如图5 所示，根据电气原理图，需要从机床引出380 V 电源线接入QF1 电机保护断路器，再由机床可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）发出信号控制中间继电器KR1 或KR2 的触点互锁，使KM1 或KM2 接触器吸合实现刀库电机的正转或反转。依然由机床PLC 控制KR3 或KR4 中间继电器触点闭合，使Y1 或Y2 刀库底座气动伸缩气缸电磁阀吸合，使气缸带动刀库推出至防护门外或者缩回至防护门以内。急停开关SP与机床急停回路进行连接，当发生紧急情况时拍下急停开关，机床和刀库都会紧急停止，从而保护机床的安全和操作者的人身安全。

刀库自带原点检测传感器、有刀无刀检测传感器和数刀/定位传感器，将所有检测输入信号按表2信号定义接入现有机床PLC 模块的物理位置，机床PLC 输出信号也按照图纸一一对应进行连接。

2.2 PLC 程序的修改

FIDIA 系统所使用的PLC 编程语言为AUCOL语言，是意大利FIDIA 公司的PLC 内置语言，编程灵活，语句量大。它是一种控制二进制变量的FIDIA公司的专用产品。相对于SIEMENS、FANUC 等数控系统的PLC 程序编制方法的种类多样性，FIDIA 系统只有语句表方式的编程方法，可见AUCOL 语言分析研究和二次开发具有一定的独特性。

表2 PLC 输入输出信号定义表

FIDIA 系统的所有PLC 程序都是由进程单元组成的（急停检测、液压系统管理、刀具搜索的管理等）。进程是指由PLC 程序员编写的不同时单独运行而又相互关联的程序。各个进程是按顺序从进程1 到进程2 依序执行。如果某一个进程无效，这个进程会被跳过无效程序直接执行它后面的进程。进程由可变操作码和操作数组成。操作码表示的是指令要完成的操作功能，操作数指变量和常量[3]。其中，输入信号作为反馈信息返回CNC 和PLC，而输出信号被CNC和PLC 用于管理特定的操作。

通过了解FIDIA 系统中PLC 技术的应用特点，修改PLC 程序中的M06 换刀程序。

以下是节选部分修改后的换刀程序：

2.3 换刀工作过程

如图6 所示，当机床执行M06TXX 自动换刀指令时，PLC 先会判断存储单元中主轴当前刀具号与换刀指令刀具号是否一致。若相同，则换刀完成[4-6]。若不相同，则进行如下换刀动作：Z轴回到安全高度（作用是避免X轴、Y轴移动时主轴上刀具碰到工件）→主轴准停→机床通过X轴、Y轴水平移动到换刀等待位置→刀库电机旋转到目前刀具的刀位上→气缸推动刀库伸出→防护门打开→Z轴移动至换刀点→X轴移动至换刀点→主轴松刀→Z轴移动至等待点→刀库旋转至目标刀位→Z轴移动至换刀点→主轴夹紧→X轴移动至等待点→Z轴抬刀至安全点→刀库气缸回退→刀库门关闭→刀号更新至存储单元→换刀完成。

2.4 调试与优化

经过修改后的PLC 程序满足换刀要求，使刀具的更换方便、快捷、灵敏。经过现场测试，观察并记录每次选刀换刀的系统运转情况，对不合理或没达到要求的程序段进行修改优化，最终的PLC 程序经过50 次连续不间断换刀测试，换刀的成功率达到100%，换刀故障率为0%，满足了改造要求[7-9]。

3 结语

通过对菲迪亚GT30 机床自动化刀库系统的硬件和PLC 软件部分的改造，大大提升了对FIDIA 系统PLC 程序二次开发的能力，且使机床实现了高速、高精度和高可靠性的换刀，减少了每一工序必须手动换刀、不能自动化加工、机床加工效率不高、人工操作要求高等问题。实践证明，在数控铣机床配置该刀库，可使工序较为集中。特别是航空类复杂零件的加工过程中，它的作用尤为显著，能够实现程序的串联、自动化加工和无人化加工，提高了加工效率，减少了加工时的人为干预。这种类型三相异步电机的刀库相对于伺服电机控制的刀库，价格、制造和安装成本低，维护简单方便，故障率低，稳定性高，特别适合机床内安装空间小、费用预算不高的改造。