法蘭克FANUC加工中心自動換刀及長度補償的問題研究

摘 要：利用隨機換刀方式，將復雜零件加工所需要的多把刀具裝入加工中心的自動刀庫。然后再用相對法進行多刀具的長度補償。由此，加工中心就可以在運行程度時，自動調取所需的刀具。

加工中心數控機床因其高精度、高自動化程度而越來越多地應用于制造業(yè)中，但是因為其自動化程度比較高，因此在自動換刀以及多刀具加工長度補償方面存在諸多難點［１］。筆者擬就九江職業(yè)大學所裝備日本ＦＡＮＵＣ（發(fā)那科）公司０ｉ－ＭＤ系統的三軸立式加工中心為例，來講述如何進行自動換刀以及刀具長度補償的工作。

第一步：要檢查空氣壓縮機，要求氣壓在０．７５ＭＰａ左右，不得低于０．５ＭＰａ，否則會報警；同時也不得高于０．８ＭＰａ，可能會引起空壓機故障。

第二步：在ＨＡＮＤＬＥ（手輪）方式下，同時按下ＦＥＥＤＨＯＬＤ（進給保持）＋ＲＥＳＥＴ（復位）鍵（注：此步驟的作用就是讓刀庫，即ＡＴＣ初始化，也就是讓其刀具號與刀套號一一對應。如果此步驟沒有任何動作，那就按一下“ＡＴＣ ＣＣＷ（自動刀庫反轉）”，即，手動讓刀庫逆時針轉動一個刀具位置，然后再來第２步就肯定會動作）。

第三步：在ＪＯＧ（手動）／ＨＡＮＤＬＥ方式下，手動將１號刀正確裝入主軸（注：手動裝刀時，務必要讓楔塊和卡槽對好，否則將引起極為嚴重的故障；另外，ＦＡＮＵＣ銑床只能在ＪＯＧ方式而不能在ＨＡＮＤＬＥ方式下手動換刀）。

第四步：在ＭＤＩ方式下→ＰＲＯＧ（程序）→ＭＤＩ（軟鍵）→Ｔ１Ｍ６→ＥＯＢ（程序行結束符）→ＩＮＳＥＲＴ（插入）→ＣＹＣＬＥＳＴＡＲＴ（循環(huán)啟動）。（注：Ｔ１就是選刀，即，將１號刀套旋轉至ＡＴＣ最下端；Ｍ６就是換刀，即，用機械手將主軸內的刀具和１號刀套內
的刀具進行交換）。

第五步：同第３步，即將２號刀手動裝入主軸。

第六步：ＭＤＩ→ＰＲＯＧ→ＭＤＩ（軟鍵）→Ｔ２Ｍ６→ＥＯＢ→ＩＮＳＥＲＴ→ＣＹＣＬＥＳＴＡＲＴ。
第七步：同第２步。

本機為圓盤式刀庫，共計２４個刀套，如右圖１所示。包括主軸在內的話，即一次一共可以安裝２５把刀具。其中ＡＴＣ（ＡＵＴＯ ＴＯＯＬ ＣＨＡＮＧＥＥＲ，譯為自動刀庫）的最下端為換刀位置；當在ＭＤＩ方式輸入Ｔ１時，即執(zhí)行選刀動作，ＡＴＣ會自動將所選刀具順時針移動到刀庫最下端，即６點鐘方向。另外，本機所配置的系統ＡＴＣ為隨機換刀方式。

圖１ 加工中心自動換刀系統

結合現有企業(yè)現狀和技術發(fā)展的統計，目前的加工中心所配置自動刀庫的情況而言，一般可以分為以下３種類型：

第一種：固定換刀方式Ａ（無機械手，無刀具準備功能）：無論換刀次數多少，刀套號和刀具號始終一一對應。這種方式結構比較簡單，但是換刀時間較長，適用于刀具容量較少的小型加工中心，目前正被逐步淘汰，應用較少。

第二種：固定換刀方式Ｂ（有機械手，可實現刀具準備）：刀具號仍與刀套號一致，但是無刀具表，系統可記憶當前刀具和下把所選的刀具，需定期調整并清洗閥體，適用于換刀不很頻繁，刀具數在４０把～６０把的ＡＴＣ［２］。這種刀庫結構相對復雜，但是價格較為低廉，因此還存在某些應用場合。

第三種：隨機換刀方式（有機械手，可實現刀具準備）：刀具號和刀套號并不一一對應，系統有相應的刀具表隨時記憶刀具的交換，隨時更新。這種結構比較復雜，操作卻比較簡便，而且無論刀具和刀套號如何變化，刀具號始終是初始化時候刀具號，因此對于實際生產而言，較大地方便了復雜零件的多刀具復雜刀路加工。本校配置就是這種比較先進的換刀系統，因此本文的論述是圍繞這種隨機換刀方式進行的。

①查看方法：ＳＹＳＴＥＭ→繼續(xù)翻頁鍵→ＰＭＣＭＮＴ→
數據→操作→縮放；

②具體交換步驟如右圖２所示：
第一步：Ｔ１Ｍ６→１０２３４５６７８９…２４（刀具號排序）
第二步：Ｔ２Ｍ６→２０１３４５６７８９…２４（刀具號排序）

第三步：Ｔ１Ｍ６→０２１３４５６７８９…２４（刀具號排序）

第四步：Ｔ９Ｍ６→９２１３４５６７８０…２４（刀具號排序）
由上分析可得：０號刀套就是主軸，換刀其實都是和主軸交換。

③如果出現“ＥＸ１０１６ＡＩＲ ＡＬＡＲＭ ＣＡＮＮＯＴＣＹＣＬＥ ＳＴＡＲＴ”，那就是表示氣壓不足，要開動空壓機加壓后方能繼續(xù)換刀。其中“ＥＸ”表示外部報警，即相對于ＦＡＮＵＣ公司而言，大連機床廠是外部。整
個報警的意思就是：“氣壓過低導致不能循環(huán)啟動”。

圖２ ＦＡＮＵＣ刀具表

因為加工中心與銑床的主要差別就在于前者有自動刀庫，可以一次性將復雜零件加工所需要的多把刀具事先放入刀庫，然后運行程序時，系統會自動調取所需要的刀具［３］。進行對刀操作時，對于基準刀而言，需要進行Ｘ、Ｙ、Ｚ三軸的對刀；而對于除基準刀之外的其他刀具，僅僅需要進行長度補償即可。這樣一來，就極大地方便了對刀操作。如果能進行第二把刀的長度，第三、四…，方法都是一樣的。因此，以下論述僅以兩把刀作為示例來講述如何進行加工中心的長度補償。

圖３ 基準刀Ｔ１ 圖４ 銑刀Ｔ２

表１ ＦＡＮＵＣ加工中心的長度和半徑補償

首先，本機采用的方法是：相對法長度補償；兩把刀之間的長度差ΔＨ＝Ｈ２－Ｈ１，如果ΔＨ 為正就表示第二把刀比第一把刀長，如果為負則表示第二把刀比第一把刀短；取消長度補償用Ｇ４９（注：程序中Ｇ４９前的Ｚ軸坐標必須大于兩個長度補償，否則可能在取消長度補償的過程中刀具會撞到工件）；建立長度補償：Ｇ４３是正補償（＋ΔＨ），Ｇ４４是負補償（－ΔＨ）；建立長度補償：按ＯＦＳ／ＳＥＴ→刀偏（軟鍵）即可看到如下表１所示。

第一步：用基準刀進行Ｘ、Ｙ、Ｚ軸對刀；
第二步：抬起刀，把Ｚ軸設定儀（如圖５所示）放在平口鉗上，然后用Ｔ１壓Ｚ軸設定儀，讓其指針停留于某處（一般是停留在零位）；
第三步：然后ＰＯＳ按鍵→相對坐標系→Ｚ→歸零→ＯＦＳ／ＳＥＴ 按鍵→刀偏→光標移動００１（形狀Ｈ）→輸入０；
第四步：ＭＤＩ方式→ＰＲＯＧ 按鍵→ＭＤＩ（軟鍵）→ 輸入Ｔ２Ｍ６→ＥＯＢ→ＩＮＳＥＲＴ→ＣＹＣＬＥＳＴＡＲＴ（循環(huán)啟動）；
第五步：用Ｔ２重復第２步；
第六步：ＯＦＳ／ＳＥＴ按鍵→刀偏→光標移動００２（形狀Ｈ）→Ｚ→Ｃ輸入→Ｚ軸回參考點；
第七步：驗證第二把刀的長度補償是否正確。

圖５ Ｚ軸設定儀

不論是在教學中還是在生產中，進行了長度補償設定后，如果不進行驗證的話，可能會因為補償錯誤而導致無法加工。因此，在進行完長度補償之后，就必須進行該刀具的補償驗證［４］。以下按兩種情
況，用６個程序短句進行驗證。

Ａ情況：即，第二把刀比第一把刀長，也就是ΔＨ為正數，那么就可以在ＭＤＩ方式下進行驗證：①運行“Ｇ５４Ｇ９０Ｇ０１Ｘ０Ｙ０Ｚ１００．Ｆ１５００”，該語句表示不進行長度補償，最后的實際情況是：Ｔ２的刀尖處距離工件上表面距離為“１００－ΔＨ”ｍｍ（比１００ｍｍ少一個刀補）；② 運行“Ｇ５４Ｇ９０Ｇ０１Ｇ４３Ｈ ２Ｘ０Ｙ０ Ｚ１００．Ｆ１５００”，該語句表示進行長度正補償，最后的實際情況是：Ｔ２的刀尖處距離工件上表面距離為１００ｍｍ；③運行“Ｇ５４Ｇ９０Ｇ０１Ｇ４４Ｈ２Ｘ０Ｙ０Ｚ１００．Ｆ１５００”，該語句表示進行長度負補償，最后的實際情況是：Ｔ２的刀尖處距離工件上表面距離為“１００－２＊ΔＨ”ｍｍ（比１００ｍｍ少兩個刀補）。

Ｂ情況：即，第二把刀比第一把刀短，也就是為負數，那么就可以在ＭＤＩ方式下進行驗證：①運行“Ｇ５４Ｇ９０Ｇ０１Ｘ０Ｙ０Ｚ１００．Ｆ１５００”，該語句表示不進行長度補償，最后的實際情況是：Ｔ２的刀尖處距離工件上表面距離為“１００－ΔＨ”ｍｍ（比１００ｍｍ多一個刀補）；②運行“Ｇ５４Ｇ９０Ｇ０１Ｇ４３Ｈ２Ｘ０Ｙ０Ｚ１００．Ｆ１５００”，該語句表示進行長度正補償，最后的實際情況是：Ｔ２的刀尖處距離工件上表面距離為１００ｍｍ；③運行“Ｇ５４Ｇ９０Ｇ０１Ｇ４４Ｈ２Ｘ０Ｙ０Ｚ１００．Ｆ１５００”量均為１００％，正常設計工況下單泵運行的出力情況基本一致，亦均可滿足設計海水溫度下的凝汽器內不凝結氣體的抽出。根據凝汽器氣平衡原理，２臺或３臺真空泵運行并不會帶來不凝結氣體抽氣量的明顯提升。因此，真空泵性能的定性的評價可通過切泵后對凝汽器真空情況的變化來予以判斷。

假設機組負荷和外部冷源環(huán)境不變，當一臺真空泵運行時，凝汽器對應的背壓為Ｐ１；執(zhí)行切泵操作至另外真空泵單泵運行后，凝汽器的背壓為Ｐ２；如果Ｐ１與Ｐ２基本一致，可認為兩泵的出力情況基本一致；如果偏差較大，可定性判斷背壓高對應的真空泵存在性能偏低的情況。由此，通過簡單的切泵操作，即可初步判斷真空泵的性能是否存在異常，而故障的精確定位還需要開展進一步的檢查行動。

北方核電站在設計工況下，單臺真空泵性能滿足不凝結氣體的抽出要求。但隨著冬季的來臨，海水溫度不斷下降，直接表現為凝汽器背壓下降。根據亨利定律可知，凝結水的含氧量與氧氣分壓及溫度有關。冬季海水溫度降低，凝汽器換熱效果增強，凝汽器背壓降低，凝結水溫度降低，過冷度亦不斷增加，凝汽器內氧氣分壓增大，從而導致凝結水溶氧量增加，加之真空泵抽氣性能隨海水溫度的降低而下降，從而導致該電站在冬季曾多次出現凝結水含氧量高問題。在無法改變寒冷地區(qū)冬季海水溫度降低帶來的一系列影響的情況下，通過抽真空系統運行模式切換實現二回路水質的改善是最簡單、最有效的方法。具體模式切換為冬夏季運行區(qū)分：夏季：單泵運行，切泵周期為２周；冬季：雙泵運行，切泵周圍為４周；冬夏季模式切換點為該機組設計海水溫度為１３℃。核電站采用的凝汽器抽真空系統冬夏季運行模
式區(qū)分的策略，在確保系統、機組運行穩(wěn)定性、可靠性不變的情況下，實現二回路水質的有效改善，減少機組廠用電損耗的同時，大大提升了電廠精細化管理的水平，亦給其他北方電站真空系統的運行模式提供參考。

４．２．１ 板式換熱器定期檢查與清洗。在該核電廠商業(yè)運行前幾年，板式換熱器存在堵塞的情況非常普遍。具體原因包括但不限于取水口加藥系統故障、海水淤泥量大等因素。板式換熱器的定期檢查與清洗，對確保真空泵的性能十分有必要。

４．２．２ 級間止回閥定期檢查。級間止回閥作為真空泵的重要部件，實現一二級真空泵運行模式控制的重要作用。級間止回閥為旋啟式止回閥，閥瓣上安裝的膠墊實現結合面的密封功能。當級間止回閥的密封墊存在老化脫落、變形或者閥門的旋軸存在卡澀等現象導致結合面密封不嚴時，真空泵內介質通過級間止回閥處直接流向汽水分離箱。二級泵未起到壓縮作用，導致真空泵出力不足，影響抽氣功。因此，將級間止回閥的檢查列入預防性維修大綱，進行定期檢查維護對確保真空泵的性能至關重要。

真空泵電流、冷卻劑泵電流、工作液溫度、工作液溫升、冷卻水流量、噪聲、振動等參數作為真空泵運行的基本參數，表征真空泵運行的真實狀態(tài)。通過對真空泵基本參數的定期監(jiān)測，對比歷史變化趨勢，可以掌握真空泵的運行現狀，并對可能出現的故障進行預判，結合檢修窗口提前制定檢修計劃，減小對正常運行機組的影響。

液環(huán)式真空泵作為核電廠維持凝汽器真空的重要設備，在冬季北方的寒冷環(huán)境下亦有其特有的性能。掌握并熟悉寒冷地區(qū)核電廠抽真空系統真空泵的特性及與其出力能力密切相關的狀態(tài)參數，通過定期的監(jiān)測，跟蹤重要參數的變化趨勢，對于及時發(fā)現并處理真空泵異常，恢復機組的安全穩(wěn)定運行有著重要意義。