劉 江 賴立迅

(①常州機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州213164;②常州創(chuàng)勝特爾數(shù)控機床設(shè)備有限公司，江蘇常州213164)

鉆攻中心憑借其高速、高精度的加工特點，備受市場青睞，是蘋果、三星等3C產(chǎn)品零件制造的關(guān)鍵設(shè)備。為了提高我國制造裝備技術(shù)水平，從“中國制造”向“中國創(chuàng)造”轉(zhuǎn)變，常州機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院與常州創(chuàng)勝特爾數(shù)控機床設(shè)備有限公司“校中廠”共同研制ZH540B鉆攻中心，通過系列攻關(guān)，解決了鉆攻中心的關(guān)鍵技術(shù)問題，并廣泛用于企業(yè)生產(chǎn)。從系統(tǒng)研究鉆攻中心的刀庫控制技術(shù)，提出了影響品質(zhì)的解決方法。

TOM-ZH540B鉆攻中心采用FANUC-0IMATED數(shù)控系統(tǒng)，德大BT30 16T輻射式刀庫，采用提高換刀速度，減少換刀時間，降低換刀過程中的噪聲，提高了鉆攻中心控制技術(shù)水平，從而進一步提升了鉆攻中心品質(zhì)。

1 提高換刀速度

1.1 改變刀庫電動機輸入頻率

本機床刀庫旋轉(zhuǎn)采用臺達VFD004EL43A(400 W)變頻器，控制CM09RA150TJT-UB刀庫電動機。根據(jù)電動機轉(zhuǎn)速控制原理n=60f/p(其中f為電源頻率，P為電動機極對數(shù))可知，通過提高電源輸入頻率，提高電動機轉(zhuǎn)速，從而提高刀庫的整體換刀速度。根據(jù)刀庫信號跟蹤測試，刀庫電動機輸入頻率為分別50 Hz、60 Hz、70 Hz時，連續(xù)換16把刀具所用時間見表1。

刀庫電動機輸入頻率為50 Hz，相鄰刀套轉(zhuǎn)動用時0.4 s，換16把刀具，刀庫旋轉(zhuǎn)用時為6.4 s。刀庫電動機輸入頻率調(diào)整為60 Hz后，理論應(yīng)該減少1.1 s;調(diào)整為70 Hz后，理論應(yīng)該減少1.8 s。與實際測試數(shù)據(jù)不符，原因是使用變頻器后控制上有電動機加減速時間參數(shù)設(shè)定，而最少的加減速時間設(shè)定為0.1 s，刀庫旋轉(zhuǎn)一個刀位總時間為0.4 s，處于加減速過程中的時間就達到0.2 s，占據(jù)了刀庫旋轉(zhuǎn)時間的一半，所以電源頻率的提高對于這種測試方式影響不大。連續(xù)換16把刀測試中，每個換刀動作中，刀庫只轉(zhuǎn)動了一個刀位，使用變頻器效果不明顯。分別對裝了8把測試刀柄與刀庫沒裝刀的情況進行測試，具體情況見表2、表3。

從表2、表3看出，可以刀庫連續(xù)轉(zhuǎn)過多個刀位，電源頻率提高到60 Hz時，刀庫選刀效率提高17%左右;電源頻率提高到70 Hz時，刀庫選刀效率提高27%左右。綜合考慮換刀整個過程，換刀過程中，刀庫轉(zhuǎn)過刀位數(shù)越多，刀庫換刀效率提高越多。筆者公司刀庫為就近選刀，一次換刀，刀庫最多轉(zhuǎn)過8個刀位，即換刀效率為最高的情況。根據(jù)計算得出，整個換刀動作完成，刀庫電動機工作頻率為60 Hz時，最高提高換刀效率為10%;刀庫電動機工作頻率為70 Hz時，最高提高換刀效率為16%。

表1 不同頻率下連續(xù)換16把刀具所用時間情況

表2 刀庫上裝有8把刀柄測試情況 s

表3 刀庫沒裝刀具測試情況 s

表4 刀庫不同情況下電動機電流

刀庫電動機額定電流為0.5 A，從表4可看出，提高電動機頻率后，未超出電動機額定電流，刀庫頻繁換刀后，電動機未出現(xiàn)發(fā)熱情況，且刀庫換刀動作正常。但是與刀庫廠家溝通，刀庫廠家允許的刀庫電動機最大工作頻率為60 Hz，若繼續(xù)提升刀庫電動機工作頻率，換刀過程中可能出現(xiàn)危險。

1.2 改變換刀參數(shù)改寫方式

在換刀動作完全相同的情況下，PMC的窗口功能可改寫系統(tǒng)數(shù)據(jù)，按執(zhí)行速度可分為低速響應(yīng)指令和高速響應(yīng)指令，但寫系統(tǒng)參數(shù)功能只有低速響應(yīng)，需要數(shù)個掃描周期才可完成，且一個掃描周期只能執(zhí)行一個數(shù)據(jù)寫入功能。為了改變這種情況，子程序中使用M代碼激活PMC進行參數(shù)寫入，并在程序結(jié)束時，將參數(shù)寫成原來值。如程序G10L52，設(shè)定參數(shù)輸入方式;N1601R0100010，將參數(shù)P1601#4修改為“0”，快速移動程序段不允許重疊;N2092P3R0，將參數(shù)P2092 Z軸快速移動前饋系數(shù)設(shè)為“0”;N1826P3R11000，將參數(shù)P1826 Z軸到位寬度設(shè)為“11000”;G11 L52，取消設(shè)定參數(shù)輸入方式。通過試驗直接更改完系統(tǒng)參數(shù)后執(zhí)行換刀程序，比在換刀子程序中使用PMC的窗口功能寫參數(shù)功能少用4 s。

1.3 減少寫入?yún)?shù)程序段

換刀子程序中，Z軸移動使用G54.1 P48坐標(biāo)系，在程序開始與結(jié)束時，都要對此坐標(biāo)系的Z軸偏置進行更改，增加了子程序運行的時間。為省略對坐標(biāo)系更改的時間，直接使用G53機械坐標(biāo)系，子程序中使用G53進行編程。程序更改完成后，進行時間測試，發(fā)現(xiàn)使用G53坐標(biāo)系的子程序，比使用G54.1 P48坐標(biāo)系的子程序時間增加了12 s。通過查找資料，G53有快速定位方式，但開啟快速定位方式，要使用快速移動程序段間程序重疊功能，與之前的減速方式?jīng)_突。

為不在子程序中增加坐標(biāo)系更改的程序段，利用第2、3、4參考點，將換刀過程中Z軸之間的移動，轉(zhuǎn)化為Z軸回參考點的運動。通過參考點參數(shù)的設(shè)定，與程序的配合，達到不使用具體坐標(biāo)系來移動Z軸。更改程序之后，與之前使用G54.1 P48坐標(biāo)系的程序?qū)Ρ?，換刀時間減少了4 s。經(jīng)過使用G53坐標(biāo)系及回參考點方式對Z軸移動的測試，時間對比結(jié)果為，使用G54.1 P48坐標(biāo)系方式，換刀時間最少。

1.4 簡化換刀子程序

通過測試，不使用G10指令對G45.1 P48坐標(biāo)系進行更改，而是使用宏變量直接賦值，如程序N20#501=#7943;N30#502=#5203;且子程序中使用模態(tài)的指令，只在程序開始指定一次，之后的都簡化掉，如程序N80M19G54.1P48G64G90G00G40G49G15G21G80Z0H0。按此方式簡化換刀子程序后，測試時間比未簡化時減少2 s。

1.5 使用高速M/S/T/B接口

試驗過程中發(fā)現(xiàn)，M代碼的處理也會占用一部分時間，每個換刀子程序中有7個M指令，換16把刀，累加起來也是非?？捎^的。

FANUC低速M/S/T/B接口首先捕捉M/S/T/B的完成信號FIN的上升(從‘0’變?yōu)椤?’)，而后在接收到完成信號的下降(從‘1’變?yōu)椤?’)后才完成動作，而高速M/S/T/B功能的不同之處在于，其只捕捉完成信號一次的變化，就算完成動作。且完成信號是分別處理，而不是M、S、T功能的完成信號都由G4.3處理。FANUC高速M/S/T/B接口，可以提高M代碼的處理速度，從而提高機床的加工效率。設(shè)置P3001#7為“1”，使用高速M/S/T/B接口功能。對PMC進行改動，實現(xiàn)高速處理M代碼。使用高速M代碼處理后，與未用高速M代碼相比，換刀時間減少了3 s，提高M代碼的處理速度，也就直接減少了換刀時間，提高了加工效率。

1.6 優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)

通過將減速點之前的程序段打斷，換刀聲音有了很大的好轉(zhuǎn)，但要配合對系統(tǒng)參數(shù)進行更改，且只能在換刀過程中按照此參數(shù)執(zhí)行，換刀完成之后，要將更改的參數(shù)還原，進行正常的加工。

使用G10可編程數(shù)據(jù)輸入功能，在子程序開始時，使用此功能將系統(tǒng)參數(shù)改為換刀過程中要求的參數(shù)，即P2092設(shè)置為“0”、P1826設(shè)置為“11000”、P1601#4設(shè)置為“0”。換刀動作完成之后，再使用此功能將參數(shù)恢復(fù)為原來的值。

經(jīng)過上述各種試驗與探索，最終確定換刀子程序如下。

2 降低換刀噪聲

2.1 尋找合適的停頓點

由于刀庫導(dǎo)板的圓弧與直線過渡處有一定夾角，當(dāng)?shù)稁旖?jīng)過此處時，導(dǎo)向輪會與直線面、圓弧面產(chǎn)生沖擊。如圖1所示，刀庫廠家建議編程是在刀庫導(dǎo)向輪距離夾角另一邊有0.2～0.3 mm的位置，Z軸移動速度將為零，然后再讓Z軸用G00的速度加速，從而使接觸時有小的速度，不會產(chǎn)生過大的沖擊，找到合適的停頓位置成為關(guān)鍵。

按刀庫廠家推薦的距離，用0.25 mm的塞尺放入導(dǎo)輪與導(dǎo)板的夾縫處，逐漸調(diào)節(jié)Z軸位置，保證Z軸向上、向下停頓處導(dǎo)輪與導(dǎo)板有0.25 mm間隙，記下Z軸的機械坐標(biāo)值，分別作為Z軸向上與向下的停頓位置。設(shè)定好后進行換刀動作，當(dāng)進給倍率比較低時，換刀聲音比較小，但隨著倍率的提升，換刀聲音也隨之增加。當(dāng)進給倍率達到100%時，換刀聲音較大，不可用于長期生產(chǎn)。以0.05 mm為梯度，在設(shè)定值基礎(chǔ)上進行調(diào)整，再判斷換刀聲音。調(diào)整之后，聲音沒有大的改善，仍有較大的撞擊聲。使用此方法很難改善換刀噪聲，考慮使用其他方式處理。

2.2 尋找好的減速方式

通過G00程序段細化，調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，讓Z軸在特定位置以較低的速度通過，而不是直接降低移動速度。先將程序在接觸點之前3 mm打斷，再移動到接觸停頓點，再加速移動。加上程序停頓之后，換刀聲音有所好轉(zhuǎn)，但Z軸移動有明顯停頓，移動圖形如圖2所示。將Z軸參數(shù)P1826(到位寬度)從“500”加大到“5000”;P2092(先行前饋系數(shù))從“9000”降為“0”;P1601#4設(shè)為“0”，在快速移動程序段間不進行程序重疊，對參數(shù)更改之后，換刀聲音有明顯好轉(zhuǎn)，但對換刀時間的影響不大。使用servo guide軟件對Z軸減速程序移動速度曲線進行跟蹤，并逐漸改P2092、P1826參數(shù)數(shù)值，將P2092設(shè)置為“0”、P1826設(shè)置為“11000”，打斷距離為2 mm時，得到的運行圖形最好，在程序打斷處，可以保持一個較低的速度，然后再繼續(xù)降速，如圖3所示，更改參數(shù)后換刀時間有所降低，而對于換刀過程中刀庫與導(dǎo)板之間接觸產(chǎn)生的聲音，通過程序打斷后，聲音有了明顯好轉(zhuǎn)。

3 結(jié)語

為減少鉆攻中心刀庫換刀時間，對系統(tǒng)參數(shù)、換刀子程序進行更改，并在保證其他參數(shù)不變的情況下，對單獨項目進行更改，做出時間統(tǒng)計，通過時間對比，體現(xiàn)出更改的效果，具體更改項目及對換刀時間的影響，如表5所示。

表5 不同項目改進成效情況

經(jīng)過換刀位置、減速方式、系統(tǒng)參數(shù)的更改，換刀動作過程及噪聲已達到最佳狀態(tài)，按目前的測試情況，相鄰刀刀對刀換刀時間為2.4 s，刀庫旋轉(zhuǎn)時間為0.424 s/把。刀庫換刀過程平穩(wěn)，滿足正常使用。

［1］北京發(fā)那科機電有限公司FANUC Series 0i-MODEL D維修說明書［Z］.

［2］北京發(fā)那科機電有限公司FANUC Series 0i-MODEL D參數(shù)說明書［Z］.

［3］北京發(fā)那科機電有限公司FANUC Series 0i-MODEL D功能說明書［Z］。