论文部分内容阅读
摘 要：随着该院产学研一体化的深入开展，越来越多的企业寻求与我们合作。设备改造、产品创新设计、生产工艺改进等都是企业需要突破的难点。数控铣床的自动化换刀就是众多产学研项目中的一个。我们通过分析企业需求，制定设备改造方案，带领学生完成自动换刀装置支架的设计和制造、刀库的安装及位置调整、系统调试及运行等任务，最终完成对数控铣床的自动化改造，使企业生产提高了效率，降低了成本。同时数控专业技师班的学生参与到项目中，作为技师研修的内容，学生通过参与项目，学习巩固了专业知识，并运用到实际当中，达到了良好的学习效果。
关键词：技师学院产学研数控铣床 自动换刀装置 改造
中图分类号：G717 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（a）-0200-02
随着中国制造2025的提出，许多企业面临设备的升级改造。浙江交通技师学院处于浙中地区，汽摩配企业集中，制造企业面临转型升级，同样存在设备改造需求。该校积极开展产学研项目，参与企业设备改造项目，同时在校内开展机电一体化设备研究，并将其作为技师专业班的研修课程。
企业为了进一步发挥数控机床的加工效率，在数控铣床上加装自动换刀装置，实现在加工过程中自动换刀，成为一个可行有效的做法。通过安装自动换刀装置将数控铣床改造为数控加工中心，可以提高生产效率，节约设备再购置资金，扩大机床加工范围，提高机床自动化程度，保证产品质量和稳定性，降低劳动者的工作强度。
该文以FANUC Series 0i-Mate MD系统为例，介绍数控铣床的自动换刀装置改造。
1 刀库类型的确定
自动换刀装置有斗笠式刀库、圆盘式刀库、链式刀库等类型。这部分内容是学生《机床与数控机床》专业课涉及到的专业知识，引导学生查阅资料，根据企业需求进行分析，确定刀库的使用参数，选用合适的刀库。企业的设备为宝鸡VMC650型数控铣床，所加工产品的刀具在20把以内，通过分析每种刀库的特点和企业需求，确定了自动换刀装置选用圆盘式刀库，刀具容量24把以及刀库的参数指标。
2 支架的设计和加工
支架是连接刀库和机床的连接件，支架的设计使用到《机械CAD/CAM》以及《机械基础》课程中的专业知识，学生通过测量机床和刀库尺寸以及刀库的重量，对支架进行结构设计，运用CAD软件实体进行造型仿真，优化支架结构，完成支架的图纸设计。
支架的机加工部分由学生自行加工完成，包括平面铣削、槽铣削、键的加工。这部分专业知识在《机加工实训》《数控加工实训》课程中学习到。
3 刀库安装
利用龙门架将支架吊装至主轴立柱的预留安装位置；将立柱与支架的安装面清理干净，保证配合面安装准确；将支架的定位键插入立柱键槽；移动支架使其与立柱通过定位键准确定位；用紧固螺栓将支架固定在立柱上；在立柱上安装用于调整支架位置的螺栓部件。
利用龙门架将自动换刀装置吊装至机床附近，并拆除自动换刀装置的支承附件；将自动换刀装置吊装至支架位置，调整自动换刀装置并用螺栓将其固定在支架上。连接信号线、动力线、接通气路。
4 机床调试
学生参与这部分任务用到了《数控机床维修》《数控原理与应用》课程所学的专业知识。在调试之前，设置系统参数，将K参数中K3.3=1，K5.5=1，实现单步换刀（M80-M86）。
4.1 自动换刀装置位置调整
这部分内容自动换刀装置与主轴相对位置的确定十分重要，关系到换刀能否顺利完成。顺序执行M80（刀套垂直）、M81（刀臂持刀）、M82（刀位松）、M83（换刀）、M84（刀位紧）、M85（刀臂原点）、M86（刀套水平）指令，使换刀臂处于换刀位置（M83），将一刀柄锥面均匀涂抹红丹油放置在刀臂上，用于调整自动换刀装置位置，这时调整支架上X向、Y向微调螺钉用来调整自动换刀装置位置，同时在手轮模式下，Z轴上下移动主轴，使主轴锥孔与刀柄锥面轻轻接触，观察主轴锥孔上红丹油的分布情况，直至红丹油均匀分布在主轴锥孔面上。锁紧支架螺钉，这样自动换刀装置的位置调整完毕。
4.2 機床第二参考点设置（换刀点）
在调试之前，机床回机械原点，执行回零操作，一般机械原点高于换刀点。
设置系统参数，将K参数中K3.3=1，K5.5=1。输入#1326号系统参数Z50，#1851号参数APC置1，重新开关机，#1851号参数APZ置1，再次重新开机，此时调整前的参数设置完毕。
在手轮模式下移动Z轴，使主轴锥孔与刀柄轻微接触，Z轴上移0.3mm，将这一位置作为Z轴第二参考点即换刀点，将换刀点与机床原点Z向差值输入到#1241号参数Z值，机床第二参考点即换刀点设置完毕。
4.3 主轴定位的设置
数控机床为了完成ATC的动作过程，必须设置主轴准停机构。由于刀具装在主轴上，切削时切削转矩不可能仅靠锥孔的摩擦力来传递，因此在主轴前端设置一个突键，当刀具装入主轴时，刀柄上的键槽必须与突键对准，才能顺利换刀。为此，主轴必须准确停在某固定的角度上。由此可知主轴准停是实现ATC过程的重要环节。
主轴准停的设定通过#4031号参数设置，保证主轴凸键与刀柄键槽对准。
4.4 换刀操作验证
顺序执行M80-M86指令，单步完成换刀动作，检查换刀动作是否正确顺利。
4.5 刷新自动换刀装置
通过PMC将刀座号与刀具号设为一致，即主轴为零号刀，1号刀位对应1号刀、2号刀位对应2号刀。
4.6 参数复位
调试结束之后，要将参数复位，需要复位的参数有#1320、#1326、K3.3、K5.5。
5 结语
参与该项目的学生为数控专业技师班学生，作为技师研修项目，在这个项目中应用到了《机床与数控机床》《机械CAD/CAM》《机械基础》《机加工实训》《数控加工实训》《电工与电子技术》《机床电控与PLC》《数控机床维修》《数控原理与应用》等课程所涉及的专业知识，根据企业需求进行分析，确定刀库的参数，选用了合适的刀库；通过测量机床和刀库尺寸以及刀库的重量，对支架进行结构设计，运用CAD软件实体进行造型仿真，优化支架结构，完成支架的图纸设计；完成了刀库位置的调整任务；能根据要求对机床参数进行设置，学生们边学习边应用，对知识点有了更深刻的认识，达到了良好的学习效果。
数控铣床自动换刀装置改造项目的完成在同时也促进了校企之间的技术交流。企业提高了生产效率，节约了人力资源；改造后的机床能够承担工艺复杂、工序繁多和批量生产等零件的加工任务。通过测试，熟练操作工手动换刀一次平均时间为19 s，而自动换刀一次时间为6 s。对于多工序、多刀具的的产品生产可以大大提高生产效率，减少生产成本。
参考文献
[1] FANUC.FANUC Series Oi MateMODEL D维修说明书.B-64305CM/01[Z].
[2] FANUC.FANUC Series Oi MateMODEL D参数说明书.B-64310CM/01[Z].
[3] FANUC.FANUC Series Oi MateMODEL D加工中心系统用户手册.B-64304CM-2/01[Z].
[4] VMC系列立式加工中心使用说明书电气部分（FANUC 0i/0i-Mate系统）[Z].
[5] 首轮圆盘式自动换刀装置操作说明书[Z].首轮机械工业有限公司.
[6] 刘永久.数控机床故障诊断与维修技术[M].北京：机械工业出版社，2007.
关键词：技师学院产学研数控铣床 自动换刀装置 改造
中图分类号：G717 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（a）-0200-02
随着中国制造2025的提出，许多企业面临设备的升级改造。浙江交通技师学院处于浙中地区，汽摩配企业集中，制造企业面临转型升级，同样存在设备改造需求。该校积极开展产学研项目，参与企业设备改造项目，同时在校内开展机电一体化设备研究，并将其作为技师专业班的研修课程。
企业为了进一步发挥数控机床的加工效率，在数控铣床上加装自动换刀装置，实现在加工过程中自动换刀，成为一个可行有效的做法。通过安装自动换刀装置将数控铣床改造为数控加工中心，可以提高生产效率，节约设备再购置资金，扩大机床加工范围，提高机床自动化程度，保证产品质量和稳定性，降低劳动者的工作强度。
该文以FANUC Series 0i-Mate MD系统为例，介绍数控铣床的自动换刀装置改造。
1 刀库类型的确定
自动换刀装置有斗笠式刀库、圆盘式刀库、链式刀库等类型。这部分内容是学生《机床与数控机床》专业课涉及到的专业知识，引导学生查阅资料，根据企业需求进行分析，确定刀库的使用参数，选用合适的刀库。企业的设备为宝鸡VMC650型数控铣床，所加工产品的刀具在20把以内，通过分析每种刀库的特点和企业需求，确定了自动换刀装置选用圆盘式刀库，刀具容量24把以及刀库的参数指标。
2 支架的设计和加工
支架是连接刀库和机床的连接件，支架的设计使用到《机械CAD/CAM》以及《机械基础》课程中的专业知识，学生通过测量机床和刀库尺寸以及刀库的重量，对支架进行结构设计，运用CAD软件实体进行造型仿真，优化支架结构，完成支架的图纸设计。
支架的机加工部分由学生自行加工完成，包括平面铣削、槽铣削、键的加工。这部分专业知识在《机加工实训》《数控加工实训》课程中学习到。
3 刀库安装
利用龙门架将支架吊装至主轴立柱的预留安装位置；将立柱与支架的安装面清理干净，保证配合面安装准确；将支架的定位键插入立柱键槽；移动支架使其与立柱通过定位键准确定位；用紧固螺栓将支架固定在立柱上；在立柱上安装用于调整支架位置的螺栓部件。
利用龙门架将自动换刀装置吊装至机床附近，并拆除自动换刀装置的支承附件；将自动换刀装置吊装至支架位置，调整自动换刀装置并用螺栓将其固定在支架上。连接信号线、动力线、接通气路。
4 机床调试
学生参与这部分任务用到了《数控机床维修》《数控原理与应用》课程所学的专业知识。在调试之前，设置系统参数，将K参数中K3.3=1，K5.5=1，实现单步换刀（M80-M86）。
4.1 自动换刀装置位置调整
这部分内容自动换刀装置与主轴相对位置的确定十分重要，关系到换刀能否顺利完成。顺序执行M80（刀套垂直）、M81（刀臂持刀）、M82（刀位松）、M83（换刀）、M84（刀位紧）、M85（刀臂原点）、M86（刀套水平）指令，使换刀臂处于换刀位置（M83），将一刀柄锥面均匀涂抹红丹油放置在刀臂上，用于调整自动换刀装置位置，这时调整支架上X向、Y向微调螺钉用来调整自动换刀装置位置，同时在手轮模式下，Z轴上下移动主轴，使主轴锥孔与刀柄锥面轻轻接触，观察主轴锥孔上红丹油的分布情况，直至红丹油均匀分布在主轴锥孔面上。锁紧支架螺钉，这样自动换刀装置的位置调整完毕。
4.2 機床第二参考点设置（换刀点）
在调试之前，机床回机械原点，执行回零操作，一般机械原点高于换刀点。
设置系统参数，将K参数中K3.3=1，K5.5=1。输入#1326号系统参数Z50，#1851号参数APC置1，重新开关机，#1851号参数APZ置1，再次重新开机，此时调整前的参数设置完毕。
在手轮模式下移动Z轴，使主轴锥孔与刀柄轻微接触，Z轴上移0.3mm，将这一位置作为Z轴第二参考点即换刀点，将换刀点与机床原点Z向差值输入到#1241号参数Z值，机床第二参考点即换刀点设置完毕。
4.3 主轴定位的设置
数控机床为了完成ATC的动作过程，必须设置主轴准停机构。由于刀具装在主轴上，切削时切削转矩不可能仅靠锥孔的摩擦力来传递，因此在主轴前端设置一个突键，当刀具装入主轴时，刀柄上的键槽必须与突键对准，才能顺利换刀。为此，主轴必须准确停在某固定的角度上。由此可知主轴准停是实现ATC过程的重要环节。
主轴准停的设定通过#4031号参数设置，保证主轴凸键与刀柄键槽对准。
4.4 换刀操作验证
顺序执行M80-M86指令，单步完成换刀动作，检查换刀动作是否正确顺利。
4.5 刷新自动换刀装置
通过PMC将刀座号与刀具号设为一致，即主轴为零号刀，1号刀位对应1号刀、2号刀位对应2号刀。
4.6 参数复位
调试结束之后，要将参数复位，需要复位的参数有#1320、#1326、K3.3、K5.5。
5 结语
参与该项目的学生为数控专业技师班学生，作为技师研修项目，在这个项目中应用到了《机床与数控机床》《机械CAD/CAM》《机械基础》《机加工实训》《数控加工实训》《电工与电子技术》《机床电控与PLC》《数控机床维修》《数控原理与应用》等课程所涉及的专业知识，根据企业需求进行分析，确定刀库的参数，选用了合适的刀库；通过测量机床和刀库尺寸以及刀库的重量，对支架进行结构设计，运用CAD软件实体进行造型仿真，优化支架结构，完成支架的图纸设计；完成了刀库位置的调整任务；能根据要求对机床参数进行设置，学生们边学习边应用，对知识点有了更深刻的认识，达到了良好的学习效果。
数控铣床自动换刀装置改造项目的完成在同时也促进了校企之间的技术交流。企业提高了生产效率，节约了人力资源；改造后的机床能够承担工艺复杂、工序繁多和批量生产等零件的加工任务。通过测试，熟练操作工手动换刀一次平均时间为19 s，而自动换刀一次时间为6 s。对于多工序、多刀具的的产品生产可以大大提高生产效率，减少生产成本。
参考文献
[1] FANUC.FANUC Series Oi MateMODEL D维修说明书.B-64305CM/01[Z].
[2] FANUC.FANUC Series Oi MateMODEL D参数说明书.B-64310CM/01[Z].
[3] FANUC.FANUC Series Oi MateMODEL D加工中心系统用户手册.B-64304CM-2/01[Z].
[4] VMC系列立式加工中心使用说明书电气部分（FANUC 0i/0i-Mate系统）[Z].
[5] 首轮圆盘式自动换刀装置操作说明书[Z].首轮机械工业有限公司.
[6] 刘永久.数控机床故障诊断与维修技术[M].北京：机械工业出版社，2007.