劉 江 賴(lài)立迅

(①常州機(jī)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(jī)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(diǎn)，備受市場(chǎng)青睞，是蘋(píng)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(guó)制造裝備技術(shù)水平，從“中國(guó)制造”向“中國(guó)創(chuàng)造”轉(zhuǎn)變，常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院與常州創(chuàng)勝特爾數(shù)控機(jī)床設(shè)備有限公司“校中廠”共同研制ZH540B鉆攻中心，通過(guò)系列攻關(guān)，解決了鉆攻中心的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)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(kù)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(kù)，采用提高換刀速度，減少換刀時(shí)間，降低換刀過(guò)程中的噪聲，提高了鉆攻中心控制技術(shù)水平，從而進(jìn)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(kù)電動(dòng)機(jī)輸入頻率

本機(jī)床刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)采用臺(tái)達(dá)VFD004EL43A(400 W)變頻器，控制CM09RA150TJT-UB刀庫(kù)電動(dòng)機(jī)。根據(jù)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制原理n=60f/p(其中f為電源頻率，P為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù))可知，通過(guò)提高電源輸入頻率，提高電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而提高刀庫(kù)的整體換刀速度。根據(jù)刀庫(kù)信號(hào)跟蹤測(cè)試，刀庫(kù)電動(dòng)機(jī)輸入頻率為分別50 Hz、60 Hz、70 Hz時(shí)，連續(xù)換16把刀具所用時(shí)間見(jiàn)表1。

刀庫(kù)電動(dòng)機(jī)輸入頻率為50 Hz，相鄰刀套轉(zhuǎn)動(dòng)用時(shí)0.4 s，換16把刀具，刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)用時(shí)為6.4 s。刀庫(kù)電動(dòng)機(jī)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(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)不符，原因是使用變頻器后控制上有電動(dòng)機(jī)加減速時(shí)間參數(shù)設(shè)定，而最少的加減速時(shí)間設(shè)定為0.1 s，刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)一個(gè)刀位總時(shí)間為0.4 s，處于加減速過(guò)程中的時(shí)間就達(dá)到0.2 s，占據(jù)了刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)時(shí)間的一半，所以電源頻率的提高對(duì)于這種測(cè)試方式影響不大。連續(xù)換16把刀測(cè)試中，每個(gè)換刀動(dòng)作中，刀庫(kù)只轉(zhuǎn)動(dòng)了一個(gè)刀位，使用變頻器效果不明顯。分別對(duì)裝了8把測(cè)試刀柄與刀庫(kù)沒(méi)裝刀的情況進(jìn)行測(cè)試，具體情況見(jiàn)表2、表3。

從表2、表3看出，可以刀庫(kù)連續(xù)轉(zhuǎn)過(guò)多個(gè)刀位，電源頻率提高到60 Hz時(shí)，刀庫(kù)選刀效率提高17%左右;電源頻率提高到70 Hz時(shí)，刀庫(kù)選刀效率提高27%左右。綜合考慮換刀整個(gè)過(guò)程，換刀過(guò)程中，刀庫(kù)轉(zhuǎn)過(guò)刀位數(shù)越多，刀庫(kù)換刀效率提高越多。筆者公司刀庫(kù)為就近選刀，一次換刀，刀庫(kù)最多轉(zhuǎn)過(guò)8個(gè)刀位，即換刀效率為最高的情況。根據(jù)計(jì)算得出，整個(gè)換刀動(dòng)作完成，刀庫(kù)電動(dòng)機(jī)工作頻率為60 Hz時(shí)，最高提高換刀效率為10%;刀庫(kù)電動(dòng)機(jī)工作頻率為70 Hz時(shí)，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(shí)間情況

表2 刀庫(kù)上裝有8把刀柄測(cè)試情況 s

表3 刀庫(kù)沒(méi)裝刀具測(cè)試情況 s

表4 刀庫(kù)不同情況下電動(dòng)機(jī)電流

刀庫(kù)電動(dòng)機(jī)額定電流為0.5 A，從表4可看出，提高電動(dòng)機(jī)頻率后，未超出電動(dòng)機(jī)額定電流，刀庫(kù)頻繁換刀后，電動(dòng)機(jī)未出現(xiàn)發(fā)熱情況，且刀庫(kù)換刀動(dòng)作正常。但是與刀庫(kù)廠家溝通，刀庫(kù)廠家允許的刀庫(kù)電動(dòng)機(jī)最大工作頻率為60 Hz，若繼續(xù)提升刀庫(kù)電動(dòng)機(jī)工作頻率，換刀過(guò)程中可能出現(xiàn)危險(xiǎn)。

1.2 改變換刀參數(shù)改寫(xiě)方式

在換刀動(dòng)作完全相同的情況下，PMC的窗口功能可改寫(xiě)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(xiě)系統(tǒng)參數(shù)功能只有低速響應(yīng)，需要數(shù)個(gè)掃描周期才可完成，且一個(gè)掃描周期只能執(zhí)行一個(gè)數(shù)據(jù)寫(xiě)入功能。為了改變這種情況，子程序中使用M代碼激活PMC進(jìn)行參數(shù)寫(xiě)入，并在程序結(jié)束時(shí)，將參數(shù)寫(xiě)成原來(lái)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(dòng)程序段不允許重疊;N2092P3R0，將參數(shù)P2092 Z軸快速移動(dòng)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(guò)試驗(yàn)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(xiě)參數(shù)功能少用4 s。

1.3 減少寫(xiě)入?yún)?shù)程序段

換刀子程序中，Z軸移動(dòng)使用G54.1 P48坐標(biāo)系，在程序開(kāi)始與結(jié)束時(shí)，都要對(duì)此坐標(biāo)系的Z軸偏置進(jìn)行更改，增加了子程序運(yùn)行的時(shí)間。為省略對(duì)坐標(biāo)系更改的時(shí)間，直接使用G53機(jī)械坐標(biāo)系，子程序中使用G53進(jìn)行編程。程序更改完成后，進(jìn)行時(shí)間測(cè)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(shí)間增加了12 s。通過(guò)查找資料，G53有快速定位方式，但開(kāi)啟快速定位方式，要使用快速移動(dòng)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(diǎn)，將換刀過(guò)程中Z軸之間的移動(dòng)，轉(zhuǎn)化為Z軸回參考點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)參考點(diǎn)參數(shù)的設(shè)定，與程序的配合，達(dá)到不使用具體坐標(biāo)系來(lái)移動(dòng)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(shí)間減少了4 s。經(jīng)過(guò)使用G53坐標(biāo)系及回參考點(diǎn)方式對(duì)Z軸移動(dòng)的測(cè)試，時(shí)間對(duì)比結(jié)果為，使用G54.1 P48坐標(biāo)系方式，換刀時(shí)間最少。

1.4 簡(jiǎn)化換刀子程序

通過(guò)測(cè)試，不使用G10指令對(duì)G45.1 P48坐標(biāo)系進(jìn)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(kāi)始指定一次，之后的都簡(jiǎn)化掉，如程序N80M19G54.1P48G64G90G00G40G49G15G21G80Z0H0。按此方式簡(jiǎn)化換刀子程序后，測(cè)試時(shí)間比未簡(jiǎn)化時(shí)減少2 s。

1.5 使用高速M(fèi)/S/T/B接口

試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，M代碼的處理也會(huì)占用一部分時(shí)間，每個(gè)換刀子程序中有7個(gè)M指令，換16把刀，累加起來(lái)也是非?？捎^的。

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

1.6 優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)

通過(guò)將減速點(diǎn)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(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行更改，且只能在換刀過(guò)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(jìn)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(kāi)始時(shí)，使用此功能將系統(tǒng)參數(shù)改為換刀過(guò)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(dòng)作完成之后，再使用此功能將參數(shù)恢復(fù)為原來(lái)的值。

經(jīng)過(guò)上述各種試驗(yàn)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(diǎn)

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

按刀庫(kù)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(jī)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(jìn)行換刀動(dòng)作，當(dāng)進(jìn)給倍率比較低時(shí)，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(jìn)給倍率達(dá)到100%時(shí)，換刀聲音較大，不可用于長(zhǎng)期生產(chǎn)。以0.05 mm為梯度，在設(shè)定值基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，再判斷換刀聲音。調(diào)整之后，聲音沒(méi)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(guò)G00程序段細(xì)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(guò)，而不是直接降低移動(dòng)速度。先將程序在接觸點(diǎn)之前3 mm打斷，再移動(dòng)到接觸停頓點(diǎn)，再加速移動(dòng)。加上程序停頓之后，換刀聲音有所好轉(zhuǎn)，但Z軸移動(dòng)有明顯停頓，移動(dòng)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(dòng)程序段間不進(jìn)行程序重疊，對(duì)參數(shù)更改之后，換刀聲音有明顯好轉(zhuǎn)，但對(duì)換刀時(shí)間的影響不大。使用servo guide軟件對(duì)Z軸減速程序移動(dòng)速度曲線進(jìn)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(shí)，得到的運(yùn)行圖形最好，在程序打斷處，可以保持一個(gè)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(shí)間有所降低，而對(duì)于換刀過(guò)程中刀庫(kù)與導(dǎo)板之間接觸產(chǎn)生的聲音，通過(guò)程序打斷后，聲音有了明顯好轉(zhuǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

為減少鉆攻中心刀庫(kù)換刀時(shí)間，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)、換刀子程序進(jìn)行更改，并在保證其他參數(shù)不變的情況下，對(duì)單獨(dú)項(xiàng)目進(jìn)行更改，做出時(shí)間統(tǒng)計(jì)，通過(guò)時(shí)間對(duì)比，體現(xiàn)出更改的效果，具體更改項(xiàng)目及對(duì)換刀時(shí)間的影響，如表5所示。

表5 不同項(xiàng)目改進(jìn)成效情況

經(jīng)過(guò)換刀位置、減速方式、系統(tǒng)參數(shù)的更改，換刀動(dòng)作過(guò)程及噪聲已達(dá)到最佳狀態(tài)，按目前的測(cè)試情況，相鄰刀刀對(duì)刀換刀時(shí)間為2.4 s，刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)時(shí)間為0.424 s/把。刀庫(kù)換刀過(guò)程平穩(wěn)，滿足正常使用。

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

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

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