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机床换刀系统设计
1.1 刀库换刀的种类及选用
(1)顺序换刀。按照工艺要求依次将所有的刀具插入刀库的刀座中，顺序不能错，加工时按顺序调刀，已经使用过的刀具可以放回到原来的刀座内，刀具号和刀座号之间的关系不会随着刀具的交换而改变，而一直保持一一对应关系。此种换刀方式不需要刀具识别，结构简单，工作可靠，但是刀库和刀具的利用率低。
(2)随机换刀。对刀库中的每把刀具进行编号，刀库上装有位置检测装置，刀库上设有机械原点，在PMC内部设置一个模拟刀库的刀具表，刀具编号可任意设定，一旦设定不应随意改变，刀具表与实际刀库中的刀具的位置始终保持一致，此种换刀方式稳定性、可靠性高，刀具号和刀座号之间的关系随着刀具的交换而改变。因此，随机换刀方式比较灵活，又可以节省换刀时间所以本机床采用了随机换刀形式。
1.2 换刀系统总体结构
机床刀库安装在机床的横梁侧面，刀库采用随机换刀方式。刀库电机为步进电机，机械手传动机构为凸轮机构，机床换刀系统总体结构如图2所示。从图2中可以看出机床换刀系统由刀库主体和主轴2部分组成。其中刀库主体由刀库和机械手2部分组成：刀库由刀库电机和位置检测开关组成，机械手由机械手电机和机械手到位检测开关2部分组成；主轴换刀部分由松/夹刀气缸和检测开关2部分组成。
换刀系统总体结构
图2换刀系统总体结构
1.3 刀库换刀方式
本机床有3种换刀方式，即自动换刀、半自动换刀和手动换刀。每种换刀方式的具体介绍如下所述：
(1)自动换刀。
当执行到加工程序中的换刀指令时或是操作者在“MDI”方式下输入换刀指令时，机床能够自动完成一系列的换刀动作，刷新刀具表，并且能够回到加工区域。
(2)半自动换刀。
操作者把机床主轴开到换刀点时，执行半自动换刀指令，机床可以完成刀具交换动作，并能够自动刷新刀具表，但是机床不能自动回到加工区域中，需要手动操作。
(3)手动换刀。
机床配备手动换刀盒，需要将机床开到换刀点，然后可以分步执行换刀动作。此方式不能自动刷新刀具数据表。也不能自动回到加工区域中，此种换刀方式主要用于刀库的调试及维护。
2 换刀系统的控制
在换刀控制时，通常可以将刀具交换分为2个步骤，一是完成搜索刀库中的目标刀具，二是刀具交换的具体动作。刀库刀具交换的PMC控制程序设计主要考虑搜索目标刀具在刀库上的刀套位置，刀库旋转方向(目标刀具所在刀套的***短路径)的判别，从而完成目标刀具的搜索，为刀具的交换做准备。机床的PMC程序通过刀库的接口信号对其进行换刀等一系列动作的控制。图3是加工中心的刀库控制流程。
刀库控制流程图
图3刀库控制流程图
2.1 刀库随机换刀时序
(1)因为刀具号和刀座号之间是随机安装的，因此当程序的目标刀号发出后，首先要根据数据表所记录的刀具号和刀座号的对应关系检索出对应的刀座号。
(2)根据目标刀座号和当前位的刀座号计算出旋转步数和旋转方向驱动刀库电机旋转，当前位和目标位一致后停止刀库电机，进行主轴刀具交换。
(3)当刀具交换完成后，更新刀具表上的主轴刀号和当前位的刀号，完成整个换刀时序。
2.2 随机换刀的PMC处理
首先根据刀库的排刀情况建立刀具数据表，Fanuc 0i MC数控系统没有刀具表，刀具表是借用PMC中的数据表，刀具数据表如图4所示。
刀具数据表
图4刀具数据表
图4是随机刀库的刀库表(部分)，刀具数量为刀库刀座数量加一。
2.2.1 根据T指令检索目标刀所在的刀座号
T指令进行刀具检索时的PMC程序示意如图5所示。其中数据表容量=刀具数容量；检索数据=目标刀号；检索结果=目标刀座号；W1=0：找到检索数据；W1=1：未找到检索数据。
T指令进行刀具检索时的PMC程序示意
图5 T指令进行刀具检索时的PMC程序示意
2.2.2 根据当前位刀座号和目标刀座号计算出旋转方向和旋转步数
刀库在机床上电之后首先要进行回零操作，若是没有回零系统会提示操作者，并且刀库不运动。当有换刀指令时，系统会根据当前位刀座号和目标刀座号计算出***短的旋转步数及旋转方向。
2.2.3 旋转到位并刀具交换完成后更新数据
PMC程序首先要更新当前刀位的刀号，然后更新主轴上刀具的刀号，并且把更新后的数值写入刀具数据表中。更新前后的刀具数据表的比较如图6所示。其中图6(a)为更新前刀具数据表，机床刀具表的刷新则表示机床换刀动作基本完成。
换刀后数据表的更新情况
图6换刀后数据表的更新情况
A06B-0858-B100#3000
A06B-0032-B175
A06B-0034-B175
A06B-0063-B203
A06B-0127-B177
A06B-0128-B077
A06B-0142-B077
A06B-0168-B013
A06B-0169-B075
A06B-0202-B000
A06B-0243-B100
A06B-0315-B043
A06B-0377-B575
A06B-0564-B088
A06B-0844-B200
A06B-0854-B201
A06B-3300-0170
A06B-6021-H075#H550
A06B-6027-H126
A06B-6031-H003
A06B-6035-H321
A06B-6035-H422
A06B-6041-H108
A06B-6041-H115
A06B-6044-H007
A06B-6044-H008
A06B-6044-H048
A06B-6044-H103
A06B-6044-H140
A06B-6044-H322#H550
A06B-6045-H001
A06B-6046-C322
A06B-6047-H001
A06B-6047-H002
A06B-6047-H003
A06B-6047-H004
A06B-6047-H005
A06B-6047-H040
A06B-6047-H201
A06B-6047-H206
A06B-6050-H002
A06B-6050-H003
A06B-6050-H004
A06B-6050-H005
A06B-6050-H006
A06B-6050-H102
A06B-6050-H103
A06B-6050-H104
A06B-6050-H203
A06B-6050-H303
A06B-6050-H304
A06B-6050-H402
A06B-6052-H002
A06B-6052-H003
A06B-6054-H040
A06B-6055-H108
A06B-6055-H112
A06B-6055-H122
A06B-6055-H206
A06B-6055-H212
A06B-6057-H001
A06B-6057-H004
A06B-6057-H005
A06B-6057-H006
A06B-6057-H007
A06B-6057-H202
A06B-6057-H203
A06B-6057-H205
A06B-6057-H301
A06B-6057-H302
A06B-6057-H304
A06B-6057-H602
A06B-6058-H004
A06B-6058-H005
A06B-6058-H006
A06B-6058-H007
A06B-6058-H011
A06B-6058-H012
A06B-6058-H013
A06B-6058-H025
A06B-6058-H101
A06B-6058-H102
A06B-6058-H191
A06B-6058-H201
A06B-6058-H202
A06B-6058-H221
A06B-6058-H222
A06B-6058-H223
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A06B-6058-H228
A06B-6058-H229
A06B-6058-H230
A06B-6058-H231
A06B-6058-H244
A06B-6058-H251
A06B-6058-H301
A06B-6058-H321
A06B-6058-H324
A06B-6058-H325
A06B-6058-H327
A06B-6058-H331
A06B-6058-H334
A06B-6059-H002
A06B-6059-H003
A06B-6059-H003#H503
A06B-6059-H206
A06B-6059-H208
A06B-6059-H212
A06B-6059-H215#517
A06B-6059-H215#H516
A06B-6059-H222
A06B-6060-H007#H504
A06B-6063-H208#510
A06B-6064-C312
A06B-6064-H030
A06B-6064-H222
A06B-6064-H303
A06B-6064-H303#H550
A06B-6064-H305
A06B-6064-H306