圓盤式刀庫機械手換刀的控制程序設(shè)計

梁盈富

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)控工程學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

1 圓盤式刀庫簡介

圓盤式刀庫因其結(jié)構(gòu)簡單、換刀速度快、容量大，在數(shù)控加工中心上有著廣泛的應(yīng)用[1-2]。帶有機械手的圓盤式刀庫在加工過程中可進行刀具預(yù)選，不用等待下一把刀具，機械手直接進行刀具交換還能節(jié)約換刀時間。圓盤式刀庫一般主要由刀盤、機械手、刀套、三相異步電機以及各種檢測開關(guān)等組成。刀套的水平和垂直位置通過倒刀氣缸進行控制，刀庫的正反轉(zhuǎn)采用三相交流異步電動機驅(qū)動?？刂茩C械手的電動機也采用三相異步電機，主要驅(qū)動機械手完成拔刀、交換刀具、扣刀等動作。刀庫在旋轉(zhuǎn)找刀的過程中，其上有刀盤原點傳感器、刀位計數(shù)器、刀套水平及垂直檢測傳感器等多個傳感器配合換刀過程的檢測，完成換刀動作[3]。

本文所涉及的加工中心所配刀庫可裝40把刀，能用于加工結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工序較多的零件。筆者在加工中心配套的FANUC數(shù)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，應(yīng)用隨機換刀算法，開發(fā)完成了刀庫控制的宏程序及PMC程序，縮短了換刀時間，提高了換刀效率。

2 隨機換刀算法

帶有機械手的圓盤式刀庫的換刀過程涉及隨機換刀控制算法。加工程序在運行時，可以將下一次要使用的刀具提前旋轉(zhuǎn)到換刀的位置上，換刀指令生效后，機械手將主軸上的刀具與要換刀的刀套內(nèi)的刀具進行交換，完成換刀過程[4-5]。下面以8個刀位的刀庫為例，介紹隨機刀庫換刀過程。圖1所示為隨機換刀刀庫示意圖，圖中#1～#8為刀庫刀套號，換刀過程中刀套隨刀盤旋轉(zhuǎn)，刀套號為固定值。以#6刀套為例，假設(shè)CNC系統(tǒng)發(fā)出換刀命令M06 T03(即換3號刀，將3號刀安裝在#6號刀套中)，此時PLC經(jīng)過比較運算，將#6號刀套轉(zhuǎn)至換刀點(即3號刀所在位置)，換刀機械手動作，將主軸9號刀與3號刀同時取出，機械手旋轉(zhuǎn)180°后將3號刀裝在主軸上，同時將主軸上的9號刀具還回刀庫#6號刀套。

圖1 隨機換刀示意圖

要實現(xiàn)隨機換刀算法，需要建立刀號數(shù)據(jù)表，以使換刀過程中的刀具號和刀套號相對應(yīng)[6]。換刀后，相關(guān)刀套內(nèi)的刀具號將發(fā)生變化，PLC需要對數(shù)據(jù)表進行更新，以便記錄當(dāng)前刀套中的刀具號。以PMC中D0記錄主軸當(dāng)前的刀具號，D1～D8為對應(yīng)的1～8號刀套號，其中的數(shù)據(jù)為該刀套號所對應(yīng)的刀具號，則上述一次換刀過程完成后數(shù)據(jù)表的信息變化情況見表1。

表1 隨機換刀過程中數(shù)據(jù)表的變化

3 換刀流程及宏程序設(shè)計

為分析方便起見，將圓盤式刀庫的換刀過程分成兩個步驟：首先，當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀T指令后，PMC程序在數(shù)據(jù)表中檢索新刀具號所對應(yīng)的刀套號，與當(dāng)前刀盤位置進行比較，確定旋轉(zhuǎn)方向及旋轉(zhuǎn)的步數(shù)；其次，PMC完成主軸定向、刀具刀位檢測、機械手動作等。換刀完成后，對刀具數(shù)據(jù)表進行更新。換刀的流程如圖2所示。

圖2 圓盤式刀庫換刀流程圖

整個換刀過程由換刀宏程序和PMC程序相互配合完成[7]，它們之間連接的接口信號由宏變量來完成，表2為PMC和宏程序之間接口變量信號的定義。

此外，機械手的動作需要相應(yīng)的M代碼來實現(xiàn)，相關(guān)的M代碼及對應(yīng)的PMC地址信號見表3，該地址為譯碼結(jié)果的輸出地址。

表2 PMC和宏程序之間的接口變量信號

表3 M代碼的譯碼地址

通過設(shè)定參數(shù)#1195=1，使用M代碼調(diào)用宏程序；設(shè)定參數(shù)#6071=6，使用M06調(diào)用O9001號宏程序。程序及說明如下：

O9001

N10 #1115=0；換刀開始標(biāo)志

N20 IF[#1002EQ1]GOTO190；相等則換刀結(jié)束

N30 G91 G30 P2 Z0；Z軸回換刀點

N40 M19；主軸定向

N50 #1112=1；定向完成后置位

N60 IF[#1000EQ1]GOTO80；檢索完成，跳轉(zhuǎn)N80

N70 GOTO40；

N80 M82；

N90 M84；

N100 M80；

N110 M85；

N120 M81；

N130 M86；

N140 #1114=1；換刀完成標(biāo)志

N150 M83；

N160 #1113=1；數(shù)據(jù)表交換指令

N170 IF[#1001EQ1]GOTO190；數(shù)據(jù)表更新完成，跳轉(zhuǎn)N190

N180 GOTO150；

N190 #1112=0；

N200 #1113=0；

N210 #1114=0；

N220 #1115=1；各標(biāo)志位恢復(fù)初始狀態(tài)

N230 M99；

4 刀庫PMC控制程序的設(shè)計與實現(xiàn)

圓盤式刀庫機械手換刀的PMC程序主要包括刀具一致性判斷、數(shù)據(jù)表刀號檢索、刀庫旋轉(zhuǎn)步數(shù)計算、刀庫旋轉(zhuǎn)及旋轉(zhuǎn)結(jié)束判別、刀庫旋轉(zhuǎn)計數(shù)、主軸刀具松開及夾緊、機械手臂控制等。由于篇幅限制，這里僅給出圓盤式刀庫機械手換刀的主要PMC程序及實現(xiàn)。

1)主軸刀號與指令刀號一致性判斷。程序主要完成換刀中的判斷和檢測，并用接口信號將PMC和宏程序進行關(guān)聯(lián)。如圖3所示，程序?qū)z查T代碼與主軸上的刀具號是否一致，如果一致，則G0054.2為1，#1002=1，宏程序跳轉(zhuǎn)到N190，換刀結(jié)束。其中，D0080為主軸上刀具號，F(xiàn)0026為換刀指令發(fā)出的指令刀具號，每次還完刀，需對D0080進行更新，以記錄當(dāng)前的主軸刀具號。R0003.0為換刀選通信號F7.3所產(chǎn)生的單脈沖信號，R0004.0為刀具功能保持信號，F(xiàn)0055.4表示不在換刀位置。

圖3 T代碼和主軸刀具一致性判別PMC程序

2)數(shù)據(jù)表刀號檢索。檢索與換刀指令刀具號相對應(yīng)的刀套號，檢索程序如圖4所示，其中D0070表示數(shù)據(jù)表的容量。本例中，數(shù)據(jù)表的容量包括主軸刀具和40把刀庫刀具，故數(shù)據(jù)表的容量為41；D0080為數(shù)據(jù)表的表頭地址；檢索結(jié)果輸出到D0200；F0026為當(dāng)前指令刀具號，用來指定檢索數(shù)據(jù)所在地址。檢索原理參見表1。

圖4 檢索換刀刀具號對應(yīng)刀套號的PMC程序

3)刀庫旋轉(zhuǎn)方向判別及旋轉(zhuǎn)步數(shù)的確定。刀庫旋轉(zhuǎn)方向判別是指判別當(dāng)前刀套與目標(biāo)刀套的位置差距，按照最短路徑的原則，選擇旋轉(zhuǎn)方向，提高換刀效率。方向判別的PMC程序如圖5所示，信號RNO用FANUC數(shù)控系統(tǒng)中的常1信號R9091.1，表示刀庫旋轉(zhuǎn)的起始位置為1，反之起始位置為0；DIR 信號為1表示刀庫按最短路徑尋刀；POS為常0信號R9091.0，表示目標(biāo)位置為定位目標(biāo)，反之，以目標(biāo)位置的前一位置為定位目標(biāo)；INC為常1信號，指令計算當(dāng)前位置到目標(biāo)位置的分度數(shù)，即旋轉(zhuǎn)的刀位數(shù)；ACT為執(zhí)行條件。參數(shù)D0062為回轉(zhuǎn)體的分度數(shù)，本例中為40；C0002為當(dāng)前刀套位置；D0200為檢索出的目標(biāo)刀套位置；D0210為剩余位置。指令執(zhí)行中根據(jù)C0002和D0200不斷計算刀庫的旋轉(zhuǎn)步數(shù)，直至D0210為0，表示旋轉(zhuǎn)到位。指令執(zhí)行中R0007.0為0表示正向旋轉(zhuǎn)，為1表示反向旋轉(zhuǎn)。

圖5 刀庫旋轉(zhuǎn)方向判別的PMC程序

4)刀庫旋轉(zhuǎn)步數(shù)計數(shù)。圖6所示為刀庫計數(shù)PMC程序，計數(shù)初始值R9091.1為1，計數(shù)初始值從1開始計數(shù)。Y0002.0和Y0002.1為刀庫正反轉(zhuǎn)信號，Y0002.0為1、Y0002.1為0時，刀庫正轉(zhuǎn)，計數(shù)器加計數(shù)；Y0002.0為0、Y0002.1為1時，刀庫反轉(zhuǎn)，計數(shù)器減計數(shù)。D0062為計數(shù)預(yù)置值地址，此處為刀庫容量。X0003.2為刀庫計數(shù)信號。

圖6 刀庫計數(shù)PMC程序

有關(guān)刀庫正反轉(zhuǎn)控制、主軸刀具松開及夾緊、機械手臂控制等PMC程序，需要設(shè)計相關(guān)M的代碼進行譯碼、執(zhí)行及完成程序，這里不再一一贅述。

5 結(jié)束語

刀庫進行調(diào)試時，手動裝刀并設(shè)置刀庫數(shù)據(jù)表，在MDI方式下執(zhí)行換刀指令T××；M06。連續(xù)換刀的試驗表明，換刀動作平穩(wěn)流暢，換刀效率高，在刀具交換的過程中未發(fā)生換刀錯誤，所設(shè)計的PMC控制程序及宏程序具有較高的穩(wěn)定性，能夠滿足實際生產(chǎn)需要。由于圓盤式刀庫采用的隨機換刀方式只有在初次放置刀具時能夠讓刀套和刀具的序號對應(yīng)起來，隨著換刀的不斷執(zhí)行，刀號和刀套號將不再對應(yīng)，利用程序中所設(shè)計的刀庫數(shù)據(jù)表可以方便地查詢刀具在刀庫與主軸上存放的位置。