摘要：随着经济的发展和科技的进步，数控加工技术获得了长足的进步和广泛的应用。以数控加工中心自动换刀技术为例，为了解决数控加工中心自动换刀技术在使用过程中出现的速度慢、稳定性能低以及控制系统编程复杂等一系列问题，文章着重对数控加工和加工中心自动换刀功能进行概述，描述了刀库的结构、换刀的动作以及PLC程序的开发和应用，具有很大的现实意义。
关键词：数控加工；智能化；控制系统；加工中心；换刀
1概述
目前，数控加工中心大量使用的换刀方式是通过使用刀库实现的。独立的刀库不仅可以增加刀具的储蓄数量，扩大机床的功能，还可以减少影响加工精确度的各种因素。数控加工中心经常使用的刀库种类有链式刀库和盘式刀库，按照刀库换刀过程中是否有机械手参与，可以将刀库换刀的方式分为机械手换刀和无机械手换刀。数控加工自动换刀系统的核心部分是可编辑逻辑控制器（PLC）。PLC以及单片机在国内被广泛的引用，这两种控制器各自具有优缺点，PLC的控制程序编写复杂，而单片机控制电路的搭建比较复杂。
2数控加工和加工中心自动换刀功能概述
数控加工作为一种利用数控机床进行零件加工的工艺方法，从总体上与传统机床加工工艺规程是一致的，但是也存在着明显的变化。利用数字信息进行零件控制和刀具位移可以解决零件的种类多、数量少、结构复杂以及精确度高的问题，是实现数控自动化加工和数控加工高效化的有效途径。在数控加工技术中，自动换刀功能作为数控加工中心的基本功能之一，主要依靠自动化换刀装置实现换刀的功能。ATC的投资在数控加工中心上占整个机器的一半，因此，刀库容量以及工作质量受到用户们的高度重视。如图1a）所示的带刀库的ATC，它是由刀具交换机和刀库组合而成的，并且刀具的交换主要是靠刀具间的相对运动以及主轴实现的，在换刀的过程中需要先把主轴上的刀具送回到刀库，然后再将新的刀具从刀库中取出来，用这种方式进行换刀所用的时间很长，因为这两个动作不能够同时进行。图1b）所示的加工中心在完成刀具交换时主要是靠环刀机械手完成的，因为换刀机械手换刀具有很大的灵活性，可以大大的减少换刀的时间，所以这种换刀的方式应用十分广泛。目前，记忆式任选换刀方式可以把刀具的编号和刀库中刀套所在的位置在相对应的数控系统中进行记忆，可以实现任意追踪和任意取送，所以在当今被广泛地使用。
3刀库的结构以及换刀的动作
DEX-a402自动换刀机构如图2所示，它主要是由凸轮、刀臂电机、刀臂、刀杯、刀库电机、刹车、原点讯号以及松夹刀构成。步进电机驱动刀臂完成动作，分四个步骤完成换刀。通过自动换刀机构中的凸轮对刀臂的正反转进行控制，实现刀臂电机单方向的旋转，这种驱动的方式使刀臂旋转角度的精确度得以提高，也对电机的控制进行了简化。图3为刀臂运动的流程图。
4换刀的指令
4.1刀具的选择
所谓刀具的选择就是在T功能的指令下，完成将刀库上事先指定的刀具转到换刀的位置。ATC按照t指令和来自刀库信息给出的命令，通过控制系统来决定刀库旋转的方向以及要求的步数等，可以采用机械随机控制和记忆模式随机控制两种方式来实现。机械随机控制模式控制每把刀与各自的刀套相对应，在主轴和到库之间采用“中间刀套”的方式提供换刀。与机械随机控制模式相比较，记忆模式随机控制方式主要是采用指针将刀库旋转的位置给指出来，而刀具与刀套的位置不是相对应的，记忆模式随机控制方式比较可靠迅速。换刀控制方式的选择主要是根据刀库机械的机构进行的，下面的换刀方式是一种浮动指针系统的换刀方式，用户们通过T指令，将刀号确定，系统会自动进行译码，译码完成后会在浮针指定的内存中找出相对应的刀具编号，然后通过系统专用的指令对刀库旋转的方向以及旋转的距离进行判断，等到刀库旋转到指定的刀具位置之后就完成了选刀动作。图4为选刀的流程图。
4.2指令的选择
M指令通过系统译码的方式到达PLC中的内部继电器，之后用户们会根据动作的要求进行PLC程序的编写。M指令作为ATC的辅助指令主要是由M6换刀、M86刀库初始化以及M19主轴定位等组成。ServoWorksCNC可以将数控的编制程序进行简化，使用机床运动程序将它们集合到一个指令中去，系统的内部会指定例如快进、直线进给以及圆弧插补等储存移动指令存储到系统变量中去。
5可编辑逻辑控制器（PLC）程序的开发和应用
5.1PLC刀库选刀的程序
基于选刀流程中的自动换刀指令主要包括刀具号搜索指令、旋转方向和距离的计算指令以及刀库旋转刀位的计数指令。DEX-a402的刀库所能够承受的刀具数量为24把，图5为刀库选刀的PLC程序图。如程序中所示，刀具号搜索指令在D20开始的二十五个储存单元中寻找与存储目标刀数号内容相同的地址，并将它们存储到R280中去；旋转方向和距离计算指令对R290与C2的方向以及步距进行实时地计算，然后通过R283进行距离储存，通过R203.6进行旋转方向的储存；刀库旋转刀位计数指令完成C2的计数，C2的增减计数由R960.3决定，刀杯技术信号由R200.4决定。
5.2PLC刀臂换刀程序
刀臂的旋转动作是通过PLC换刀程序实现的。凸轮在刀臂电机的带动下控制自动换刀机构中的刀臂进行运动，刹车信号、原点信号、松夹刀信号都是通过机构配备的刹车讯号提供的，通过这些讯号进行刹车位置的编写。图6为换刀PLC程序，其中位置1对应的是原点的位置，位置2对应的是刀臂正转六十度的位置，位置3对应的是刀臂正转一百八十度的位置。
5.3存储单元刀号的互换
数控加工自动换刀作为一个随机连续的过程，需要在完成换刀之后将储存单元中的内容进行修改以保证下次有效进行换刀。所谓存储单元刀号的互换，主要是在中间存储器的过渡下，将主轴刀号与当前刀杯号的对应杯号进行互换。
6结束语
综上所述，随着经济的增长和科技的进步，PLC系统的自动换刀技术与传统的自动换刀技术相比较，在数控加工中心换刀系统的编程以及维修维护难度方面都有了很大程度上的简化，在此基础上与智能化技术相结合可以使整个换刀过程更加地迅速和准确，促进了PLC系统自动换刀技术的研究应用和经济的发展。
参考文献
[1]刘战术.基于PLC的刀库自动选刀应用与开发[M].北京：机械工公司战略管理论文业出版社，2013（12）：122-123.
[2]邓昌奇，江冠练.纯软件开放式数控系统的研究及其在加工中心上的应用[J].组合机床与自动化加工技术，2012（16）：153-156.
作者：陈辉雄 单位：汕头市职业技能鉴定指导中心
相关专题：北京航空航天大学学报 创业理念是什么
