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ＦＡＮＵＣ加工中心機械手換刀ＰＭＣ設計

2024-6-11 來源：蘇州市職業大學機電工程學院作者：董曉嵐

摘要：分析了圓盤式刀庫配換刀機械手換刀動作的控制邏輯，設計了控制接口信號與自定義Ｍ代碼，基于ＦＡＮＵＣ數控系統編制了換刀宏程序和ＰＭＣ程序。換刀控制動作包括刀盤找刀、主軸定向、刀套控制、刀臂控制和打刀缸控制，由換刀指令調用換刀宏程序，ＰＭＣ換刀程序執行自定義Ｍ動作代碼實現換刀動作。重點研究了隨機方式刀盤找刀的控制邏輯和整個換刀動作之間聯動的互鎖條件邏輯。

關鍵詞：加工中心機械手；ＰＭＣ；ＦＡＮＵＣ

０引言

ＦＡＮＵＣ是市場普及率最高的數控系統，基于ＦＡＮＵＣ的加工中心換刀動作ＰＭＣ設計應用廣泛。圓盤式刀庫配以換刀機械手構成的換刀系統結構簡單，圓盤式刀庫與換刀機械手動作分工明確，控制順序清晰，是大部分中小型經濟型加工中心采用的配置。

本文分析圓盤式刀庫配換刀機械手換刀動作的控制邏輯，刀庫與主軸之間刀具交換動作的聯動在控制方式上采用ＰＭＣ程序配以宏程序調用完成動作的時序控制［１］。

１、換刀動作的邏輯順序

換刀動作的邏輯順序如下［２］：刀庫刀盤尋找目標刀具，根據換刀指令將ＴＸＸＭ０６指定的目標刀具送至換刀位置；主軸返回第二參考點且完成定向動作；刀套倒下；打刀缸松；機械手刀臂抓取主軸與換刀位置上的刀具；機械手刀臂翻轉１８０°，將主軸上的刀具與目標刀具進行交換；刀套回刀，打刀缸夾緊。換刀動作的控制對象有刀庫刀盤、刀套、機械手刀臂、打刀缸。動作控制包括刀盤找刀、主軸定向、刀套控制、刀臂控制、打刀缸控制。整個換刀動作控制所涉及的宏程序自定義代碼的設定見表１。

表１宏程序自定義代碼的設定

２、換刀動作控制安全互鎖條件

在換刀動作控制過程中需要設計的互鎖條件包括：

（１）刀套倒下狀態下，即倒刀確認信號未到達之前，刀盤不能轉動，否則會引起刀盤電機燒毀。

（２）刀套抬起狀態下，即回刀確認信號未到達之前，刀臂不能動作，否則刀臂抓到的是空刀。

（３）刀臂動作之前，主軸定向動作必須完成，否則會出現換刀機械手碰撞故障。

（４）機床出現緊急停止、復位信號時，換刀過程中斷，即安全保護機制。

３、換刀動作宏程序

ＦＡＮＵＣ數控系統以Ｍ０６作為換刀動作指令，調用Ｏ９０００以后的宏程序［３，４］。按照換刀動作的邏輯順序和自定義的換刀動作Ｍ代碼，編制換刀宏程序如下：

４、刀盤隨機找刀模式

宏程序調用的自定義Ｍ代碼需要由ＦＡＮＵＣＰＭＣ程序編譯、執行、輸出，實現刀庫、機械手換刀臂、機械到位傳感器輸入信號的聯動，在所有換刀動作中刀盤找刀是一個獨立且重要的動作。

在加工中心機床刀庫控制中，刀盤找刀通常有順序找刀和隨機找刀兩種方式［５］，本設計采用隨機找刀方式。隨機找刀方式允許刀具在刀盤中任意存放，但每把刀具和刀套上都有自己的編碼。自動換刀時，ＰＭＣ讀到ＴＸＸＭ０６程序指令要求所需要的目標刀具編碼，刀盤旋轉，每把刀具和刀套都接受識別，當某把刀具的編碼與目標刀具的編碼相一致時，該刀具被選中，刀庫將目標刀具送到換刀位置，等待機械手來抓取。

例如加工程序執行了Ｔ０６Ｍ０６指令，主軸上現有的０３號刀具需要被換成０６號刀具。原來０６號刀具在刀盤的４號刀套里面，當讀到Ｔ０６指令時，刀盤轉動將４號刀套轉到刀盤的換刀位置；讀到Ｍ０６指令，機械手開始換刀，刀臂翻轉；換刀動作完成后，０６號刀具插入主軸刀套中，０３號刀具插在４號刀套中。刀盤刀套號與刀具號存儲位置見表２。

表２刀盤刀套號與刀具號存儲位置

５、刀盤找刀動作ＰＭＣ設計

５．１刀盤找刀動作流程

刀盤找刀的ＰＭＣ控制程序流程［６，７］如圖１所示。等待ＴＦ刀具選通信號到達，ＴＦ信號觸發ＤＳＣＨＢ刀套號數據表檢索指令，在Ｄ０１００為起始刀套號數據表上開始檢索Ｆ００２６信號指定的目標刀具所在的刀套號，將目標刀套號結果傳輸至數據表Ｄ００９０內；Ｍ８２刀盤找刀指令觸發ＲＯＴＢ刀盤回轉控制指令，Ｄ０１８２存放的是當前換刀位置上的刀套號Ｃ０００２到目標刀套號Ｄ００９０所需的旋轉步數，Ｒ００２６．３輸出刀盤的旋轉方向；刀位計數器傳感器信號Ｘ００１０．０觸發刀庫旋轉計數ＣＴＲＣ環形計數器指令，更新換刀位置上的刀套號Ｃ０００２；當ＣＯＩＮ一致性判斷指令被觸發，系統判別目標刀套號Ｄ００９０與換刀位置刀套號Ｃ０００２一致時，刀盤控制電機旋轉停止，也即刀盤找刀動作結束。

圖１刀盤找刀控制程序流程圖

５．２Ｍ８２找刀動作ＰＭＣ程序

當讀到ＴＸＸＭ０６語句中的Ｔ指令時，Ｆ０００７．３＝ＴＦ刀具選通信號觸發ＤＳＣＨＢ刀套號數據表檢索指令（見圖２），Ｄ００９４存放的是刀盤刀套數加上主軸（＋１）的總刀具數，是數據檢索表的總數。Ｄ０１００是刀具數據表起始地址，Ｄ０１００地址內存放的數據是主軸上的刀具號，Ｄ０１０１是刀盤１號刀套的地址，Ｄ０１０１地址內存放的數據是１號刀套內刀具號，以此類推。

Ｆ００２６是程序中換刀調用的目標刀具號，ＤＳＣＨＢ指令目的是在Ｄ０１００刀套號數據表上開始檢索Ｆ００２６刀具號所在的刀套號，將結果傳輸至Ｄ００９０，也即刀盤旋轉的目標刀套號。

Ｍ８２刀盤找刀指觸發ＲＯＴＢ刀盤回轉控制指令動作（見圖３），Ｄ００９２是刀盤的總刀數，也是回轉指令的分度數。ＰＬＣ計算刀盤換刀位置刀套號Ｃ０００２到加工程序要調用的目標刀套號Ｄ００９０所需的旋轉步數Ｄ０１８２，Ｒ００２６．３輸出刀盤的旋轉方向，０為正轉，

１為反轉。

圖２數據表檢索指令

圖３刀盤回轉指令

刀盤控制電機開始旋轉，刀盤刀位計數傳感器信號Ｘ００１０．０觸發刀盤旋轉計數ＣＴＲＣ環形計數器指令（見圖４），Ｙ０００１．２為刀盤正轉觸發加計數器，Ｙ０００１．３為刀盤反轉觸發減計數器。ＦＡＮＵＣ系統的Ｒ９０９１．０信號（常０信號）和Ｒ９０９１．１信號（常１信號）在功能指令的條件選擇上會經常使用到。Ｄ００９２是刀盤總刀數，每收到一個Ｘ００１０．０信號，計數器自動記錄增減刀盤換刀位置的刀套號，每轉過一個刀位，計數器值加１或者減１，Ｃ０００２始終記錄刀盤轉到的當前換刀位置的刀套號。Ｒ０３０１．０是計數器結束的標志，加計數器從最大值回到１，減計數器從１回到最大值。

圖４刀庫旋轉計數指令

刀盤開始旋轉后，ＣＯＩＮ指令開始將目標刀套號與換刀位置刀套號進行比較（見圖５）。ＣＯＩＮ是一致性判斷指令，刀盤旋轉過程中，ＰＬＣ不停地周期掃描判斷刀盤換刀位置刀套號Ｃ０００２與Ｄ００９０目標刀套號是否一致、換刀位置刀套號Ｃ０００２里面刀具號數據與Ｆ００２６指令調用目標刀具號是否一致，一致性成立，刀盤停止旋轉，Ｒ００２６．５結束Ｍ８２刀盤找刀動作。當目標刀具運動到換刀位置時，ＰＭＣ停止高速脈沖輸出，刀盤控制電機停止運轉。

５．３Ｍ８５刀具表刷新

Ｍ８５指令代碼觸發變地址修改數據轉送指令執行刀具數表Ｄ００９４、刀具套號表Ｄ０１００刷新動作（見圖６）。每完成一次換刀動作后，須重新刷新刀具表，以保證刀具數據表的狀態與實際刀具的存儲狀態保持一致。Ｍ８５指令的分頻信號Ｒ０４００．０觸發ＸＭＯＶＢ指令，在Ｄ００９４總刀具數的數據表中，Ｃ０００２記錄的是刀盤換刀位置的刀套號，將當前換刀位置刀套號寫入刀具數據表的第一個數據Ｄ０１００地址。Ｍ８５指令的分頻信號Ｒ０４００．０觸發ＭＯＶＥ邏輯乘（與邏輯）指令，將Ｆ００２６目標刀具號寫入刀具數據表Ｄ０１００地址內主軸刀具號，刷新刀具數據表的目的就是保證Ｄ０１００地址內存放的刀具號與主軸上刀具號一致、Ｄ０１００地址與刀盤當前換刀位置刀套號一致。