加工中心是數控機床中機電一體化高技術產品，同時又是實現先進制造技術不可缺少的工藝設備。它綜合了微電子、計算機、自動控制，精密測量、機床制造等方面技術及相關配套的最新成就，是當代機床工業發展方向和先進生產力的標志。

　　加工中心由機床（機械部分）和控制系統（電氣部分）2 部分組成，機床是加工中心的主體，控制系統是加工中心的核心。加工中心的主機通常是由三大基礎部件組（床身、立柱和工作臺）和主軸部件、刀具自動交換系統（Automatic Tool Change，ATC）及其他輔助功能部件組成。本課題主要涉及其中的刀庫組件模塊的設計。

　　G4 1230 AJ 數控加工中心總體組成包括機床主體、FANUC 0i 數控系統控制(PMC 集成在其內部)、伺服系統、主軸控制系統4 部分。Fanuc 0i 數控系統是高質量、高性能、高集成度的小型化CNC，代表了目前常用CNC的最高水平，使用了高速串行伺服總線（用光纜連接）和串行I/O 數據口，有以太網口。適用于小型加工中心、銑床及小型機床。該機床主要功能及組成如圖1 所示。

圖1 G4 1230 AJ數控加工中心的組成

　　G4 1230 AJ 四坐標龍門加工中心的總體結構為固定龍門工作臺移動式， X 、Y 、Z 、A 共四軸四聯動。加工中心配備了自動換刀刀庫系統。刀庫系統是提供自動化加工過程中所需之儲刀、換刀需求的一種裝置。其自動換刀機構及可以儲放多把刀具的刀庫，改變了傳統以人為主的生產方式，即由電腦程序的控制，可以完成各種不同的加工需求，如銑削、鉆孔、攻絲等。大幅縮短加工時間，降低生產成本，這是刀庫系統的最大特點。

　　加工中心刀庫采用了鏈式刀庫。鏈式刀庫具有容量較大、占地較少以及在增加存儲刀具數目時可增加鏈條的長度而不增加鏈輪直徑等特點。基于這些優點，鏈式刀庫在加工中心應用非常廣泛。

　　基于Fanuc 系統的四軸加工中心的刀庫能完成自動換刀。在自動交換刀具時，應保證交換前后刀具都處于正確的位置。刀庫換刀機構都應用足夠的剛度，可靠性高。換刀時間盡可能短，操作安全，且刀具管理方便。

　　刀庫特點如下：

　　（1）刀庫的容量為 32 把刀，并具有刀具測量系統。

　　（2）機床配備RENISHAW TS 27 R 刀具測量頭，具備刀具長度、直徑測量功能，并可檢測刀具斷裂和破損情況。

　　（3）刀庫具有的各種保護功能：

　　· 急停保護。

　　· Y 坐標第2 限位超程保護。機床的換刀點在機床 “Y ”坐標的工作行程外部，所以“Y ”向行程有2 個限位開關保護，1 個是工作行程的限位保護，另一個是換刀限位的保護。機床自動換刀時，首先要將“Y ”向行程限位切換為換刀保護限位，換刀完成時，各個坐標自動回到加工區域中，并且PMC 自動將“Y ”向換刀限位切換為“Y ”向行程限位保護。

　　·各動作互鎖保護。機床的刀庫安裝在機床的橫梁側面，所以在刀庫的外圍安裝了防護門，以防在換刀時有人接近發生危險。防護門打開時機床自動切換到手動方式，并且不能進行換刀操作。機床的各個換刀動作之間都有到位檢測開關，動作不到位就不能進行下一步動作。

1 機床換刀系統設計

　　1.1 刀庫換刀的種類及選用

　　（1）順序換刀。按照工藝要求依次將所有的刀具插入刀庫的刀座中，順序不能錯，加工時按順序調刀，已經使用過的刀具可以放回到原來的刀座內，刀具號和刀座號之間的關系不會隨著刀具的交換而改變，而一直保持一一對應關系。此種換刀方式不需要刀具識別，結構簡單，工作可靠，但是刀庫和刀具的利用率低。

　　（2） 隨機換刀。對刀庫中的每把刀具進行編號，刀庫上裝有位置檢測裝置，刀庫上設有機械原點，在PMC內部設置一個模擬刀庫的刀具表，刀具編號可任意設定，一旦設定不應隨意改變，刀具表與實際刀庫中的刀具的位置始終保持一致，此種換刀方式穩定性、可靠性高，刀具號和刀座號之間的關系隨著刀具的交換而改變。因此，隨機換刀方式比較靈活，又可以節省換刀時間所以本機床采用了隨機換刀形式。

　　1.2 換刀系統總體結構

　　機床刀庫安裝在機床的橫梁側面，刀庫采用隨機換刀方式。刀庫電機為步進電機，機械手傳動機構為凸輪機構，機床換刀系統總體結構如圖2 所示。

圖2換刀系統總體結構

　　從圖2 中可以看出機床換刀系統由刀庫主體和主軸2 部分組成。其中刀庫主體由刀庫和機械手2 部分組成：刀庫由刀庫電機和位置檢測開關組成，機械手由機械手電機和機械手到位檢測開關2 部分組成；主軸換刀部分由松/ 夾刀氣缸和檢測開關2 部分組成。

　　1.3 刀庫換刀方式

　　本機床有3 種換刀方式，即自動換刀、半自動換刀和手動換刀。每種換刀方式的具體介紹如下所述：

　　（1）自動換刀。

　　當執行到加工程序中的換刀指令時或是操作者在 “MDI”方式下輸入換刀指令時，機床能夠自動完成一系列的換刀動作，刷新刀具表，并且能夠回到加工區域。

　　（2）半自動換刀。

　　操作者把機床主軸開到換刀點時，執行半自動換刀指令，機床可以完成刀具交換動作，并能夠自動刷新刀具表，但是機床不能自動回到加工區域中，需要手動操作。

　　（3）手動換刀。

　　機床配備手動換刀盒，需要將機床開到換刀點，然后可以分步執行換刀動作。此方式不能自動刷新刀具數據表。也不能自動回到加工區域中，此種換刀方式主要用于刀庫的調試及維護。

2 換刀系統的控制

　　在換刀控制時，通常可以將刀具交換分為2 個步驟，一是完成搜索刀庫中的目標刀具，二是刀具交換的具體動作。刀庫刀具交換的PMC 控制程序設計主要考慮搜索目標刀具在刀庫上的刀套位置，刀庫旋轉方向（目標刀具所在刀套的最短路徑）的判別，從而完成目標刀具的搜索，為刀具的交換做準備。

　　2.1 刀庫隨機換刀時序

　　（1）因為刀具號和刀座號之間是隨機安裝的，因此當程序的目標刀號發出后，首先要根據數據表所記錄的刀具號和刀座號的對應關系檢索出對應的刀座號。

　　（2）根據目標刀座號和當前位的刀座號計算出旋轉步數和旋轉方向驅動刀庫電機旋轉，當前位和目標位一致后停止刀庫電機，進行主軸刀具交換。

　　（3) 當刀具交換完成后，更新刀具表上的主軸刀號和當前位的刀號，完成整個換刀時序。

　　2.2 隨機換刀的PMC 處理

　　首先根據刀庫的排刀情況建立刀具數據表，Fanuc0i MC 數控系統沒有刀具表，刀具表是借用PMC 中的數據表。

　  2.2.1 根據T指令檢索目標刀所在的刀座號　

　　其中數據表容量=刀具數容量；檢索數據=目標刀號；檢索結果= 目標刀座號；W1=0 ：找到檢索數據；W1=1：未找到檢索數據。

　　2.2.2 根據當前位刀座號和目標刀座號計算出旋轉方向和旋轉步數

　　刀庫在機床上電之后首先要進行回零操作，若是沒有回零系統會提示操作者，并且刀庫不運動。當有換刀指令時，系統會根據當前位刀座號和目標刀座號計算出最短的旋轉步數及旋轉方向。

　　2.2.3 旋轉到位并刀具交換完成后更新數據

　　PMC 程序首先要更新當前刀位的刀號，然后更新主軸上刀具的刀號，并且把更新后的數值寫入刀具數據表中。更新前后的刀具數據表的比較。 

3 結束語　　加工中心的商品化，改變了傳統的專業生產方式，對于一次裝夾的工件，完成銑鉆、鏜、擴、鉸、攻絲等加工工序。在充分準備好刀具輔助的條件下，加工中心就能夠充分發揮其高速高效、高精度的特點，從而降低生產成本，提高零件加工質量。在生產的過程中提高生產率和設備使用率，縮減生產成本，獲取最大經濟效益。