ATC（Automatic Tool Changer）是數控加工中心上完成自動換刀的裝置，典型的形式有機械手換刀和斗笠式換刀，本文主要講斗笠式換刀控制原理及故障診斷。

斗笠式（umbrella-type）刀庫由于其形狀像個大斗笠而得名，一般只能存16～24把刀具。

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斗笠式換刀時整個刀庫向主軸移動。當主軸上的刀具進入刀庫卡槽時，主軸向上移動脫離刀具，這時刀庫轉動。當要換的刀具對正主軸正下方時主軸下移，使刀具插入主軸錐孔內。夾緊刀具后，刀庫退回原來的位置。

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斗笠式換刀分解動作

通過刀庫和主軸箱的配合動作來完成換刀，如圖1所示。刀庫中刀具的存放的位置方向和主軸的刀方向一致。換刀時，主軸運動到刀位上的換刀位置，由主軸直接取走或放回刀具。

圖1 立式加工中心斗笠式換刀分解動作

各動作說明如下：

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▲ 視頻：斗笠式換刀（第12~25秒為換刀動作）

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分解動作M代碼說明

（1）主軸準停（M19）

加工中心主軸和刀具之間聯(lián)接需要用鍵來定位，所以機床在換刀時需要保證主軸上的鍵每次都停留在一定的位置，從而保證刀具上鍵槽的位置與主軸上鍵的位置一致（如圖2所示），使機床換刀能夠順利進行。

圖2 刀具與主軸配合

1---刀柄      2---主軸端面     3---端面鍵

因此，加工中心在換刀時必須要對主軸進行定向，也稱為主軸準停。通常立式加工中心的主軸定向通過在主軸上安裝外接編碼器實現。編碼器給出位置檢測信號，使主軸準確地停在規(guī)定的位置上。

由PMC和CNC協(xié)調控制完成。CNC對M19譯碼，PMC發(fā)出主軸定向請求信號，CNC給出準停完成信號。

（2）主軸箱上升與下降（G01 Zxx）

主軸箱的運動即Z軸移動，主要由CNC控制兩個與換刀有關的位置Z=0和Z=105。

（3）刀庫前進與后退（M62，M63）

刀庫的前進與后退可采用電動控制或氣動控制。抓刀位置與原位均需傳感器（接近開關）檢測。

由CNC對M62、M63進行譯碼，PMC根據互鎖條件判斷是否輸出前進或后退信號，并檢測到位信號。

（4）刀庫旋轉（M64）

斗笠式刀庫刀盤運轉分度多采用日內瓦輪機構（Geneva Mechanism）驅動，驅動電機每轉一周，刀盤間歇回轉一個刀號，每次需0.7~1秒。刀庫可以正轉或反轉，以實現最短路徑換刀。每個刀位由接近開關檢測確認。

▲ 動畫：槽輪機構（Geneva Mechanism）

由CNC對M64進行譯碼，PMC根據目標刀位與當前刀位之差判斷是否輸出旋轉信號，并檢測旋轉到位信號。

（5）主軸緊刀與松刀（M60，M61）

主軸松刀采用兩位三通電磁閥接通氣壓缸，刀具是靠碟形彈簧通過拉桿和彈簧卡頭而將刀具柄尾端的拉釘拉緊。松刀時, 氣壓缸活塞桿頂壓頂桿, 頂桿通過空心螺釘推動拉桿。

一方面使彈簧卡頭松開刀具的拉釘，另一方面又頂動拉釘，使刀具右移而在主軸錐孔中變”松”。松刀的行程需準確調整，松刀與緊刀位置由行程開關檢測。

由CNC對M60、M61進行譯碼，PMC根據互鎖條件判斷是否輸出松刀信號，并檢測氣缸行程到位信號。

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換刀子程序

從圖1換刀分解動作①④⑥可以看出，斗笠式換刀需Z軸參與動作，而PMC是無法直接參與數控軸的控制的。如果動作②③④⑥⑧⑨都采用M指令調用，那么編制零件程序時就需要6條M指令和3條G指令，使用很不方便。

采用NC程序編制換刀動作為一固定循環(huán)，就可以方便的使用一條指令（T**M06）調用整個換刀循環(huán)（即子程序）。子程序號為O9001。

對于自動換刀這樣的系列分解動作，當然用PMC控制最合適了。安全互鎖要點如下：

• 自動換刀過程中，主軸不可以旋轉；

• 刀庫在抓刀位，主軸才可以松開；

• 對準主軸的刀位上無刀時，刀庫才可向前；

• Z軸在上位（Z=105mm）時，刀庫才可以旋轉；

• 刀具被夾緊時，刀庫才可退回。

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常見故障診斷與排除

加工中心如有故障，80%出自換刀機構。

診斷與排除方法：

① 檢查機床的工作方式是否正確？機床是否鎖住狀態(tài)？指令是否正確？

② 檢查數控機床的壓縮空氣氣壓是否在要求范圍內？一般應在0.5MPa~0.6MPa之間。如果所提供的壓縮空氣壓力低于這個范圍，刀庫在換刀過程中由于壓力不夠，造成不動作；

③ 檢查刀庫的初始狀態(tài)是否正常，即檢查傳感器的狀態(tài)是否良好？輸送到數控系統(tǒng)PMC的輸入信號是否正確？可以通過數控系統(tǒng)提供的PMC地址診斷功能幫助檢查。

診斷與排除方法：

① 檢查刀庫移到主軸側的確認信號傳感器是否良好？診斷發(fā)送到數控系統(tǒng)PMC中的信號是否正常？此故障現象多由于傳感器不良造成；

② 如果傳感器狀態(tài)及信號都正常，請檢查主軸刀具是否夾緊？

③ 檢查主軸定向是否完成？

診斷與排除方法：

① 參照機床的電氣圖紙，利用萬用表等檢測工具檢查刀庫旋轉電機（三相異步電動機）的啟動電路是否正常？

② 檢查刀庫部分的電源是否正常？交流接觸器與開關是否正常？一般刀庫主電路部分的動力電源為三相交流380V，交流接觸器線圈控制電源為交流110V或直流24V，檢查此部分的電路；

③ 保證以上部分都正常的情況下，檢查刀庫驅動電機是否正常？

④ 如果以上故障都排除，請考慮刀庫機械部分是否有干涉的地方？刀庫旋轉驅動電機和刀庫的連接是否脫離？

診斷與排除方法：

① 檢查氣源壓力是否在要求范圍？

② 檢查刀庫驅動電機控制回路是否正常？電機正、反轉實現刀庫的左、右平移，如果反轉控制部分故障，容易出現以上故障；

③ 檢查主軸刀具是否抓緊？如果數控系統(tǒng)接受不到傳感器發(fā)送的夾緊確認信號，刀庫不執(zhí)行下面的動作；

④ 檢查刀庫部分是否存在機械干涉現象。

（文/湯彩萍）