圆盘式刀库机械手换刀的控制程序设计

梁盈富

(陕西工业职业技术学院数控工程学院，陕西 咸阳 712000)

1 圆盘式刀库简介

圆盘式刀库因其结构简单、换刀速度快、容量大，在数控加工中心上有着广泛的应用[1-2]。带有机械手的圆盘式刀库在加工过程中可进行刀具预选，不用等待下一把刀具，机械手直接进行刀具交换还能节约换刀时间。圆盘式刀库一般主要由刀盘、机械手、刀套、三相异步电机以及各种检测开关等组成。刀套的水平和垂直位置通过倒刀气缸进行控制，刀库的正反转采用三相交流异步电动机驱动。控制机械手的电动机也采用三相异步电机，主要驱动机械手完成拔刀、交换刀具、扣刀等动作。刀库在旋转找刀的过程中，其上有刀盘原点传感器、刀位计数器、刀套水平及垂直检测传感器等多个传感器配合换刀过程的检测，完成换刀动作[3]。

本文所涉及的加工中心所配刀库可装40把刀，能用于加工结构复杂、工序较多的零件。笔者在加工中心配套的FANUC数控系统基础上，应用随机换刀算法，开发完成了刀库控制的宏程序及PMC程序，缩短了换刀时间，提高了换刀效率。

2 随机换刀算法

带有机械手的圆盘式刀库的换刀过程涉及随机换刀控制算法。加工程序在运行时，可以将下一次要使用的刀具提前旋转到换刀的位置上，换刀指令生效后，机械手将主轴上的刀具与要换刀的刀套内的刀具进行交换，完成换刀过程[4-5]。下面以8个刀位的刀库为例，介绍随机刀库换刀过程。图1所示为随机换刀刀库示意图，图中#1～#8为刀库刀套号，换刀过程中刀套随刀盘旋转，刀套号为固定值。以#6刀套为例，假设CNC系统发出换刀命令M06 T03(即换3号刀，将3号刀安装在#6号刀套中)，此时PLC经过比较运算，将#6号刀套转至换刀点(即3号刀所在位置)，换刀机械手动作，将主轴9号刀与3号刀同时取出，机械手旋转180°后将3号刀装在主轴上，同时将主轴上的9号刀具还回刀库#6号刀套。

图1 随机换刀示意图

要实现随机换刀算法，需要建立刀号数据表，以使换刀过程中的刀具号和刀套号相对应[6]。换刀后，相关刀套内的刀具号将发生变化，PLC需要对数据表进行更新，以便记录当前刀套中的刀具号。以PMC中D0记录主轴当前的刀具号，D1～D8为对应的1～8号刀套号，其中的数据为该刀套号所对应的刀具号，则上述一次换刀过程完成后数据表的信息变化情况见表1。

表1 随机换刀过程中数据表的变化

3 换刀流程及宏程序设计

为分析方便起见，将圆盘式刀库的换刀过程分成两个步骤：首先，当数控系统发出换刀T指令后，PMC程序在数据表中检索新刀具号所对应的刀套号，与当前刀盘位置进行比较，确定旋转方向及旋转的步数；其次，PMC完成主轴定向、刀具刀位检测、机械手动作等。换刀完成后，对刀具数据表进行更新。换刀的流程如图2所示。

图2 圆盘式刀库换刀流程图

整个换刀过程由换刀宏程序和PMC程序相互配合完成[7]，它们之间连接的接口信号由宏变量来完成，表2为PMC和宏程序之间接口变量信号的定义。

此外，机械手的动作需要相应的M代码来实现，相关的M代码及对应的PMC地址信号见表3，该地址为译码结果的输出地址。

表2 PMC和宏程序之间的接口变量信号

表3 M代码的译码地址

通过设定参数#1195=1，使用M代码调用宏程序；设定参数#6071=6，使用M06调用O9001号宏程序。程序及说明如下：

O9001

N10 #1115=0；换刀开始标志

N20 IF[#1002EQ1]GOTO190；相等则换刀结束

N30 G91 G30 P2 Z0；Z轴回换刀点

N40 M19；主轴定向

N50 #1112=1；定向完成后置位

N60 IF[#1000EQ1]GOTO80；检索完成，跳转N80

N70 GOTO40；

N80 M82；

N90 M84；

N100 M80；

N110 M85；

N120 M81；

N130 M86；

N140 #1114=1；换刀完成标志

N150 M83；

N160 #1113=1；数据表交换指令

N170 IF[#1001EQ1]GOTO190；数据表更新完成，跳转N190

N180 GOTO150；

N190 #1112=0；

N200 #1113=0；

N210 #1114=0；

N220 #1115=1；各标志位恢复初始状态

N230 M99；

4 刀库PMC控制程序的设计与实现

圆盘式刀库机械手换刀的PMC程序主要包括刀具一致性判断、数据表刀号检索、刀库旋转步数计算、刀库旋转及旋转结束判别、刀库旋转计数、主轴刀具松开及夹紧、机械手臂控制等。由于篇幅限制，这里仅给出圆盘式刀库机械手换刀的主要PMC程序及实现。

1)主轴刀号与指令刀号一致性判断。程序主要完成换刀中的判断和检测，并用接口信号将PMC和宏程序进行关联。如图3所示，程序将检查T代码与主轴上的刀具号是否一致，如果一致，则G0054.2为1，#1002=1，宏程序跳转到N190，换刀结束。其中，D0080为主轴上刀具号，F0026为换刀指令发出的指令刀具号，每次还完刀，需对D0080进行更新，以记录当前的主轴刀具号。R0003.0为换刀选通信号F7.3所产生的单脉冲信号，R0004.0为刀具功能保持信号，F0055.4表示不在换刀位置。

图3 T代码和主轴刀具一致性判别PMC程序

2)数据表刀号检索。检索与换刀指令刀具号相对应的刀套号，检索程序如图4所示，其中D0070表示数据表的容量。本例中，数据表的容量包括主轴刀具和40把刀库刀具，故数据表的容量为41；D0080为数据表的表头地址；检索结果输出到D0200；F0026为当前指令刀具号，用来指定检索数据所在地址。检索原理参见表1。

图4 检索换刀刀具号对应刀套号的PMC程序

3)刀库旋转方向判别及旋转步数的确定。刀库旋转方向判别是指判别当前刀套与目标刀套的位置差距，按照最短路径的原则，选择旋转方向，提高换刀效率。方向判别的PMC程序如图5所示，信号RNO用FANUC数控系统中的常1信号R9091.1，表示刀库旋转的起始位置为1，反之起始位置为0；DIR 信号为1表示刀库按最短路径寻刀；POS为常0信号R9091.0，表示目标位置为定位目标，反之，以目标位置的前一位置为定位目标；INC为常1信号，指令计算当前位置到目标位置的分度数，即旋转的刀位数；ACT为执行条件。参数D0062为回转体的分度数，本例中为40；C0002为当前刀套位置；D0200为检索出的目标刀套位置；D0210为剩余位置。指令执行中根据C0002和D0200不断计算刀库的旋转步数，直至D0210为0，表示旋转到位。指令执行中R0007.0为0表示正向旋转，为1表示反向旋转。

图5 刀库旋转方向判别的PMC程序

4)刀库旋转步数计数。图6所示为刀库计数PMC程序，计数初始值R9091.1为1，计数初始值从1开始计数。Y0002.0和Y0002.1为刀库正反转信号，Y0002.0为1、Y0002.1为0时，刀库正转，计数器加计数；Y0002.0为0、Y0002.1为1时，刀库反转，计数器减计数。D0062为计数预置值地址，此处为刀库容量。X0003.2为刀库计数信号。

图6 刀库计数PMC程序

有关刀库正反转控制、主轴刀具松开及夹紧、机械手臂控制等PMC程序，需要设计相关M的代码进行译码、执行及完成程序，这里不再一一赘述。

5 结束语

刀库进行调试时，手动装刀并设置刀库数据表，在MDI方式下执行换刀指令T××；M06。连续换刀的试验表明，换刀动作平稳流畅，换刀效率高，在刀具交换的过程中未发生换刀错误，所设计的PMC控制程序及宏程序具有较高的稳定性，能够满足实际生产需要。由于圆盘式刀库采用的随机换刀方式只有在初次放置刀具时能够让刀套和刀具的序号对应起来，随着换刀的不断执行，刀号和刀套号将不再对应，利用程序中所设计的刀库数据表可以方便地查询刀具在刀库与主轴上存放的位置。