钻攻中心刀库在软件和参数的性能优化
钻攻中心凭借其高速、高精度的加工特点,备受市场青睐，是苹果、三星等3c产品零件制造的关键设 备。为了提高我国制造装备技术水平，从“中国制造” 向“中国创造”转变，研制t5钻攻中心,通过系列攻关，解决了钻攻中心的 关键技术问题，并广泛用于企业生产。从系统研究钻攻中心的刀库控制技术，提出了影响品质的解决方法。
t5钻攻中心采用 fanuc - 0i -mated数控系统，德大bt30 16t辐射式刀库,采用提 高换刀速度,减少换刀时间，降低换刀过程中的噪声， 提高了钻攻中心控制技术水平，从而进一步提升了钻 攻中心品质。
1提高换刀速度
1.1改变刀库电动机输入频率
本机床刀库旋转采用台达vfd004el43a(400 w) 变频器，控制cm09ra150tjt - ub刀库电动机。根据 电动机转速控制原理n =60/今（其中f为电源频率,p 为电动机极对数）可知，通过提高电源输入频率,提高电动机转速，从而提高刀库的整体换刀速度。根据刀库信 号跟踪测试,刀库电动机输入频率为分别50 hz、60 hz、 70 hz时,连续换16把刀具所用时间见表1。
刀库电动机输入频率为50 hz,相邻刀套转动用时 0.4 s,换16把刀具，刀库旋转用时为6.4 s。刀库电动 机输入频率调整为60 hz后,理论应该减少1. 1 s;调整 为70 hz后,理论应该减少1.8 s。与实际测试数据不 符，原因是使用变频器后控制上有电动机加减速时间参 数设定,而少的加减速时间设定为0.1 s,刀库旋转一 个刀位总时间为0.4 s,处于加减速过程中的时间就达 到0.2 s,占据了刀库旋转时间的一半，所以电源频率的 提高对于这种测试方式影响不大。连续换16把刀测试 中，每个换刀动作中，刀库只转动了一个刀位，使用变频 器效果不明显。分别对装了 8把测试刀柄与刀库没装 刀的情况进行测试,具体情况见表2、表3。
从表2、表3看出，可以刀库连续转过多个刀位， 电源频率提高到60 hz时，刀库选刀效率提高17%左 右；电源频率提高到70 hz时，刀库选刀效率提高27% 左右。综合考虑换刀整个过程，换刀过程中，刀库转过 刀位数越多，刀库换刀效率提高越多。笔者公司刀库为就近选刀，一次换刀，刀库多转过8个刀位，即换刀 效率为高的情况。根据计算得出，整个换刀动作完成，刀库电动机工作频率为60 hz时，高提高换刀效 率为10% ;刀库电动机工作频率为70 hz时，高提高 换刀效率为16%。
刀库电动机额定电流为0.5 a,从表4可看出，提 高电动机频率后，未超出电动机额定电流，刀库频繁换 刀后，电动机未出现发热情况，且刀库换刀动作正常。 但是与刀库厂家沟通，刀库厂家允许的刀库电动机 大工作频率为60 hz,若继续提升刀库电动机工作频率,换刀过程中可能出现危险。
1.2改变换刀参数改写方式
在换刀动作*相同的情况下，pmc的窗口功能 可改写系统数据,按执行速度可分为低速响应指令和 高速响应指令，但写系统参数功能只有低速响应，需要 数个扫描周期才可完成，且一个扫描周期只能执行一 个数据写入功能。为了改变这种情况，子程序中使用 m代码激活pmc进行参数写入，并在程序结束时，将 参数写成原来值。如程序g10l52,设定参数输入方 式;n1601r0100010,将参数p1601斜修改为“0”，快速移动程序段不允许重叠；n2092p3r0,将参数p2092 z 轴快速移动前馈系数设为“0” ； n1826p3r11000,将参 数p1826 z轴到位宽度设为“11000” ；g11 l52,取消设 定参数输入方式。通过试验直接更改完系统参数后执 行换刀程序，比在换刀子程序中使用pmc的窗口功能 写参数功能少用4 s。
1.3减少写入参数程序段
换刀子程序中，z轴移动使用g54. 1 p48坐标系， 在程序开始与结束时，都要对此坐标系的z轴偏置进 行更改，增加了子程序运行的时间。为省略对坐标系 更改的时间，直接使用g53机械坐标系，子程序中使 用g53进行编程。程序更改完成后，进行时间测试, 发现使用g53坐标系的子程序，比使用g54. 1 p48坐 标系的子程序时间增加了 12 s。通过查找资料,g53 有快速定位方式，但开启快速定位方式,要使用快速移 动程序段间程序重叠功能，与之前的减速方式冲突。
为不在子程序中增加坐标系更改的程序段，利用 第2、3、4参考点,将换刀过程中z轴之间的移动，转化 为z轴回参考点的运动。通过参考点参数的设定，与 程序的配合，达到不使用具体坐标系来移动z轴。更 改程序之后，与之前使用g54. 1 p48坐标系的程序对 比，换刀时间减少了 4 s。经过使用g53坐标系及回参 考点方式对z轴移动的测试，时间对比结果为，使用 g54. 1 p48坐标系方式，换刀时间少。
1.4简化换刀子程序
通过测试,不使用g10指令对g45. 1 p48坐标系 进行更改，而是使用宏变量直接赋值,如程序n20#501 =#7943; n30#502 = #5203;且子程序中使用模态的指 令，只在程序开始一次，之后的都简化掉,如程序 n80m19g54. 1p48g64g90g00g40g49g15g21g80z0h0。 按此方式简化换刀子程序后，测试时间比未简化时 减少 2 s。
1.5使用高速m/s/t/b接口
试验过程中发现,m代码的处理也会占用一部分 时间，每个换刀子程序中有7个m指令，换16把刀， 累加起来也是非常可观的。
fanuc低速m/s/t/b接口首先捕捉m/s/t/b的 完成信号fin的上升(从‘0’变为‘1’），而后在接收到 完成信号的下降（从1变为10’）后才完成动作，而高 速m/s/t/b功能的不同之处在于，其只捕捉完成信号 一次的变化,就算完成动作。且完成信号是分别处理, 而不是m、s、t功能的完成信号都由g4. 3处理。 fanuc高速m/s/t/b接口，可以提高m代码的处理速 度，从而提高机床的加工效率。设置p3001#7为“1”，使用高速m/s/t/b接口功能。对pmc进行改动,实现高 速处理m代码。使用高速m代码处理后，与未用高速 m代码相比，换刀时间减少了 3 s,提高m代码的处理速 度，也就直接减少了换刀时间，提高了加工效率。
1.6优化系统参数
通过将减速点之前的程序段打断，换刀声音有了 很大的好转，但要配合对系统参数进行更改，且只能在 换刀过程中按照此参数执行,换刀完成之后，要将更改 的参数还原，进行正常的加工。
使用g10可编程数据输入功能，在子程序开始 时,使用此功能将系统参数改为换刀过程中要求的参 数，即p2092设置为“0”、p1826设置为“11000”、 p1601#4设置为“0”。换刀动作完成之后，再使用此功 能将参数恢复为原来的值。
经过上述各种试验与探索，终确定换刀子程序如下。
2降低换刀噪声
2.1寻找合适的停顿点
由于刀库导板的圆弧与直线过渡处有一定夹角， 当刀库经过此处时，导向轮会与直线面、圆弧面产生冲 击。如图1所示,刀库厂家建议编程是在刀库导向轮 距离夹角另一边有0. 2?0. 3 mm的位置,z轴移动速 度将为零，然后再让z轴用g00的速度加速,从而使 接触时有小的速度,不会产生过大的冲击，找到合适的 停顿位置成为关键。
按刀库厂家推荐的距离，用0. 25 mm的塞尺放入 导轮与导板的夹缝处，逐渐调节z轴位置，保证z轴 向上、向下停顿处导轮与导板有0.25 mm间隙，记下z 轴的机械坐标值，分别作为z轴向上与向下的停顿位 置。设定好后进行换刀动作，当进给倍率比较低时，换 刀声音比较小，但随着倍率的提升，换刀声音也随之增 加。当进给倍率达到100%时，换刀声音较大，不可用行调整，再判断换刀声音。调整之后，声音没有大的改 善，仍有较大的撞击声。使用此方法很难改善换刀噪 声，考虑使用其他方式处理。
2.2寻找好的减速方式
通过g00程序段细化，调整系统参数，让z轴在 特定位置以较低的速度通过，而不是直接降低移动速 度。先将程序在接触点之前3 mm打断，再移动到接 触停顿点，再加速移动。加上程序停顿之后，换刀声音 有所好转，但z轴移动有明显停顿，移动图形如图2 所示。将z轴参数p1826 (到位宽度）从“500”加大到 “5000 ” ； p2092 (先行前馈系数）从“9000 ”降为“0 ” ； p1601#4设为“0”，在快速移动程序段间不进行程序重 叠，对参数更改之后，换刀声音有明显好转，但对换刀 时间的影响不大。使用 servo guide软件对z轴减速程 序移动速度曲线进行跟踪，并逐渐改p2092、p1826参 数数值，将p2092设置为“0”、p1826设置为“11000”， 打断距离为2 mm时,得到的运行图形，在程序打 断处，可以保持一个较低的速度，然后再继续降速，如 图3所示，更改参数后换刀时间有所降低，而对于换刀 过程中刀库与导板之间接触产生的声音，通过程序打 断后,声音有了明显好转。
3结语
为减少钻攻中心刀库换刀时间，对系统参数、换刀 子程序进行更改，并在保证其他参数不变的情况下，对 单独项目进行更改，做出时间统计,通过时间对比，体 现出更改的效果，具体更改项目及对换刀时间的影响， 如表5所示。
表5不同项目改进成效情况
经过换刀位置、减速方式、系统参数的更改，换刀 动作过程及噪声已达到状态，按目前的测试情况， 相邻刀刀对刀换刀时间为2.4 s,刀库旋转时间为 0.424 s/把。刀库换刀过程平稳，满足正常使用。
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刀库电动机输入频率为50 hz,相邻刀套转动用时 0.4 s,换16把刀具，刀库旋转用时为6.4 s。刀库电动 机输入频率调整为60 hz后,理论应该减少1. 1 s;调整 为70 hz后,理论应该减少1.8 s。与实际测试数据不 符，原因是使用变频器后控制上有电动机加减速时间参 数设定,而少的加减速时间设定为0.1 s,刀库旋转一 个刀位总时间为0.4 s,处于加减速过程中的时间就达 到0.2 s,占据了刀库旋转时间的一半，所以电源频率的 提高对于这种测试方式影响不大。连续换16把刀测试 中，每个换刀动作中，刀库只转动了一个刀位，使用变频 器效果不明显。分别对装了 8把测试刀柄与刀库没装 刀的情况进行测试,具体情况见表2、表3。
从表2、表3看出，可以刀库连续转过多个刀位， 电源频率提高到60 hz时，刀库选刀效率提高17%左 右；电源频率提高到70 hz时，刀库选刀效率提高27% 左右。综合考虑换刀整个过程，换刀过程中，刀库转过 刀位数越多，刀库换刀效率提高越多。笔者公司刀库为就近选刀，一次换刀，刀库多转过8个刀位，即换刀 效率为高的情况。根据计算得出，整个换刀动作完成，刀库电动机工作频率为60 hz时，高提高换刀效 率为10% ;刀库电动机工作频率为70 hz时，高提高 换刀效率为16%。
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1.2改变换刀参数改写方式
在换刀动作*相同的情况下，pmc的窗口功能 可改写系统数据,按执行速度可分为低速响应指令和 高速响应指令，但写系统参数功能只有低速响应，需要 数个扫描周期才可完成，且一个扫描周期只能执行一 个数据写入功能。为了改变这种情况，子程序中使用 m代码激活pmc进行参数写入，并在程序结束时，将 参数写成原来值。如程序g10l52,设定参数输入方 式;n1601r0100010,将参数p1601斜修改为“0”，快速移动程序段不允许重叠；n2092p3r0,将参数p2092 z 轴快速移动前馈系数设为“0” ； n1826p3r11000,将参 数p1826 z轴到位宽度设为“11000” ；g11 l52,取消设 定参数输入方式。通过试验直接更改完系统参数后执 行换刀程序，比在换刀子程序中使用pmc的窗口功能 写参数功能少用4 s。
1.3减少写入参数程序段
换刀子程序中，z轴移动使用g54. 1 p48坐标系， 在程序开始与结束时，都要对此坐标系的z轴偏置进 行更改，增加了子程序运行的时间。为省略对坐标系 更改的时间，直接使用g53机械坐标系，子程序中使 用g53进行编程。程序更改完成后，进行时间测试, 发现使用g53坐标系的子程序，比使用g54. 1 p48坐 标系的子程序时间增加了 12 s。通过查找资料,g53 有快速定位方式，但开启快速定位方式,要使用快速移 动程序段间程序重叠功能，与之前的减速方式冲突。
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1.5使用高速m/s/t/b接口
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fanuc低速m/s/t/b接口首先捕捉m/s/t/b的 完成信号fin的上升(从‘0’变为‘1’），而后在接收到 完成信号的下降（从1变为10’）后才完成动作，而高 速m/s/t/b功能的不同之处在于，其只捕捉完成信号 一次的变化,就算完成动作。且完成信号是分别处理, 而不是m、s、t功能的完成信号都由g4. 3处理。 fanuc高速m/s/t/b接口，可以提高m代码的处理速 度，从而提高机床的加工效率。设置p3001#7为“1”，使用高速m/s/t/b接口功能。对pmc进行改动,实现高 速处理m代码。使用高速m代码处理后，与未用高速 m代码相比，换刀时间减少了 3 s,提高m代码的处理速 度，也就直接减少了换刀时间，提高了加工效率。
1.6优化系统参数
通过将减速点之前的程序段打断，换刀声音有了 很大的好转，但要配合对系统参数进行更改，且只能在 换刀过程中按照此参数执行,换刀完成之后，要将更改 的参数还原，进行正常的加工。
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经过上述各种试验与探索，终确定换刀子程序如下。
2降低换刀噪声
2.1寻找合适的停顿点
由于刀库导板的圆弧与直线过渡处有一定夹角， 当刀库经过此处时，导向轮会与直线面、圆弧面产生冲 击。如图1所示,刀库厂家建议编程是在刀库导向轮 距离夹角另一边有0. 2?0. 3 mm的位置,z轴移动速 度将为零，然后再让z轴用g00的速度加速,从而使 接触时有小的速度,不会产生过大的冲击，找到合适的 停顿位置成为关键。
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2.2寻找好的减速方式
通过g00程序段细化，调整系统参数，让z轴在 特定位置以较低的速度通过，而不是直接降低移动速 度。先将程序在接触点之前3 mm打断，再移动到接 触停顿点，再加速移动。加上程序停顿之后，换刀声音 有所好转，但z轴移动有明显停顿，移动图形如图2 所示。将z轴参数p1826 (到位宽度）从“500”加大到 “5000 ” ； p2092 (先行前馈系数）从“9000 ”降为“0 ” ； p1601#4设为“0”，在快速移动程序段间不进行程序重 叠，对参数更改之后，换刀声音有明显好转，但对换刀 时间的影响不大。使用 servo guide软件对z轴减速程 序移动速度曲线进行跟踪，并逐渐改p2092、p1826参 数数值，将p2092设置为“0”、p1826设置为“11000”， 打断距离为2 mm时,得到的运行图形，在程序打 断处，可以保持一个较低的速度，然后再继续降速，如 图3所示，更改参数后换刀时间有所降低，而对于换刀 过程中刀库与导板之间接触产生的声音，通过程序打 断后,声音有了明显好转。
3结语
为减少钻攻中心刀库换刀时间，对系统参数、换刀 子程序进行更改，并在保证其他参数不变的情况下，对 单独项目进行更改，做出时间统计,通过时间对比，体 现出更改的效果，具体更改项目及对换刀时间的影响， 如表5所示。
表5不同项目改进成效情况
经过换刀位置、减速方式、系统参数的更改，换刀 动作过程及噪声已达到状态，按目前的测试情况， 相邻刀刀对刀换刀时间为2.4 s,刀库旋转时间为 0.424 s/把。刀库换刀过程平稳，满足正常使用。
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的工作原理以及如何安全使用
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