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ＦＡＮＵＣ加工中心機械（xiè）手換刀ＰＭＣ設（shè）計

2024-6-11 來源：蘇州市職業大（dà）學機電工程學院作者：董曉嵐

摘（zhāi）要：分析了圓盤式刀庫配換刀機械手（shǒu）換刀動作的控（kòng）製邏輯，設計了控製（zhì）接口（kǒu）信號與自定義Ｍ代碼，基於ＦＡＮＵＣ數（shù）控係統編製了換刀宏程序和ＰＭＣ程序。換刀控製動作包括刀盤（pán）找刀、主軸定向（xiàng）、刀套控製、刀臂（bì）控製和（hé）打刀缸控製，由換刀指令調（diào）用換刀宏程序，ＰＭＣ換刀程序執行自（zì）定義Ｍ動作代碼實現換刀動作。重點研究了（le）隨（suí）機方式刀（dāo）盤找刀的控製邏輯和整個換刀（dāo）動作之間聯動（dòng）的（de）互鎖條件邏輯（jí）。

關鍵詞：加工中心機械手；ＰＭＣ；ＦＡＮＵＣ

０引言（yán）

ＦＡＮＵＣ是市場普及率（lǜ）最高的數控係統，基於ＦＡＮＵＣ的加（jiā）工（gōng）中心換刀（dāo）動作ＰＭＣ設計應用廣泛（fàn）。圓盤式刀庫配以換刀機械手構成的換刀（dāo）係統結構（gòu）簡單，圓盤式刀庫與換刀機（jī）械手動作分工明確，控（kòng）製（zhì）順序清晰，是大部分中小型（xíng）經濟型加工（gōng）中心采用（yòng）的配置。

本文分析圓盤式刀庫配換（huàn）刀機械手換（huàn）刀動作的控製邏輯，刀庫與主軸之間刀（dāo）具交換動作的聯動在（zài）控製方式上采用ＰＭＣ程序配以宏程序調用完成動作的時序控製［１］。

１、換刀動作的邏輯順序

換刀動作的邏輯順序（xù）如下［２］：刀庫（kù）刀盤尋（xún）找目標刀具（jù），根據換刀指（zhǐ）令將ＴＸＸＭ０６指定的目標刀具送至（zhì）換刀（dāo）位置；主軸返回第二（èr）參考點且完成定向動作；刀套倒下；打刀缸鬆（sōng）；機械手刀臂抓取主軸（zhóu）與換刀位置上的刀具；機械手（shǒu）刀（dāo）臂翻轉１８０°，將主軸上的（de）刀具與目標刀（dāo）具進行交（jiāo）換；刀套回刀，打刀缸（gāng）夾緊。換（huàn）刀動作的控製對象有刀庫刀盤、刀套（tào）、機械手刀臂、打刀缸。動作控製包（bāo）括刀盤找刀、主軸定向、刀套控（kòng）製、刀臂控製、打刀缸控製（zhì）。整個換刀（dāo）動作控（kòng）製所涉及的宏程（chéng）序自定義代碼的設定（dìng）見表１。

表１宏程序（xù）自定（dìng）義代碼的（de）設定（dìng）

２、換刀動作控製安全互鎖條件

在換刀動作控製過程中需要設計的（de）互鎖（suǒ）條件包括：

（１）刀套倒下狀（zhuàng）態下，即倒刀確認信號未到達之（zhī）前，刀盤不能轉（zhuǎn）動，否則（zé）會引起刀盤電機燒毀。

（２）刀套抬起（qǐ）狀態下，即回刀確認（rèn）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（gù）障。

（４）機床出現緊急停止、複位（wèi）信號時，換刀過程中斷，即安全保護機製。

３、換刀動作宏程序

ＦＡＮＵＣ數控係統以Ｍ０６作為（wéi）換刀動作指令，調用Ｏ９０００以後的宏程序［３，４］。按照換刀動作的邏輯順（shùn）序和自定義（yì）的換刀動作Ｍ代碼，編製換刀（dāo）宏程序如下：

４、刀盤隨機找刀模式

宏程序調用的（de）自定義Ｍ代碼需要由ＦＡＮＵＣＰＭＣ程（chéng）序編譯、執行、輸出，實現刀庫、機械手（shǒu）換刀臂、機械到位傳感器輸入信（xìn）號的聯動（dòng），在所有（yǒu）換刀動（dòng）作中刀盤找刀是一個獨立且重（chóng）要的動作。

在加工中（zhōng）心機（jī）床刀庫控製（zhì）中，刀盤找刀通常有順序找刀和隨機找刀兩種方（fāng）式［５］，本設計采用隨機找刀方式。隨機找刀方式允（yǔn）許刀具（jù）在刀盤中任意存放，但每把刀具和刀套上都有自己的（de）編碼。自動換刀時，ＰＭＣ讀到ＴＸＸＭ０６程序指令要求所需要的目標（biāo）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（xiàng）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（shǒu）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（bèi）換成０６號刀具。原來０６號刀具（jù）在刀盤（pán）的４號刀套裏麵，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（dào）Ｍ０６指令，機械手開始換刀，刀（dāo）臂翻轉；換刀（dāo）動作完成後，０６號刀具插入主軸（zhóu）刀套中，０３號（hào）刀具插在４號刀套中。刀盤刀套號與刀具號存儲位置見表（biǎo）２。

表２刀盤刀套號與（yǔ）刀具號存儲位置（zhì）

５、刀盤找刀動作ＰＭＣ設計

５．１刀盤找刀（dāo）動作流（liú）程

刀（dāo）盤找刀的ＰＭＣ控製程序流程［６，７］如圖１所示。等待ＴＦ刀（dāo）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（dāo）套號數（shù）據表上開始檢索Ｆ００２６信號指定（dìng）的目標（biāo）刀（dāo）具所在的刀套號（hào），將目標刀套號結果傳輸至數據表Ｄ００９０內；Ｍ８２刀盤找刀指（zhǐ）令觸發（fā）ＲＯＴＢ刀盤回轉（zhuǎn）控製指令，Ｄ０１８２存放的是（shì）當前換刀位（wèi）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（dāo）套號Ｃ０００２；當ＣＯＩＮ一致性判斷指令被觸發（fā），係統判別目標刀套號Ｄ００９０與換（huàn）刀位置刀套號Ｃ０００２一致時，刀盤控製（zhì）電機旋（xuán）轉停止，也即刀盤找刀動作結束。

圖（tú）１刀盤找刀控製程序流程圖

５．２Ｍ８２找刀動作ＰＭＣ程序（xù）

當讀（dú）到ＴＸＸＭ０６語句中的Ｔ指令時，Ｆ０００７．３＝ＴＦ刀具（jù）選通（tōng）信號觸發ＤＳＣＨＢ刀套號數據表（biǎo）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（shù），是數據檢索表（biǎo）的總數。Ｄ０１００是刀具數據表起（qǐ）始地址，Ｄ０１００地址內存放的數據是主軸上的刀具號，Ｄ０１０１是（shì）刀盤１號刀套的地（dì）址，Ｄ０１０１地址內存放的數（shù）據是１號刀套內刀具號，以此類（lèi）推。

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

Ｍ８２刀盤找（zhǎo）刀指觸發ＲＯＴＢ刀盤回轉控製指令動作（見圖３），Ｄ００９２是刀盤的總刀數（shù），也是回轉指令的分度數。ＰＬＣ計算刀盤換刀位（wèi）置刀套（tào）號Ｃ０００２到（dào）加工程序（xù）要（yào）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（fāng）向，０為（wéi）正轉，

１為反轉。

圖２數據表檢索指令

圖３刀盤回轉指令

刀盤控製電機開始旋轉，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（jiàn）圖４），Ｙ０００１．２為刀盤正轉觸發加計數器（qì），Ｙ０００１．３為刀盤（pán）反轉觸發減（jiǎn）計（jì）數器。ＦＡＮＵＣ係統的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（xuǎn）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（guò）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（huàn）刀位置的（de）刀套號。Ｒ０３０１．０是計數器結（jié）束的標誌，加計數器從最大值回到１，減計數器從１回（huí）到（dào）最大（dà）值。

圖４刀庫（kù）旋轉計數指令

刀盤開始（shǐ）旋轉後，ＣＯＩＮ指令開始將（jiāng）目標刀套號與換刀位置刀套號進行比較（見圖（tú）５）。ＣＯＩＮ是一致性判（pàn）斷指令，刀（dāo）盤旋轉過程中（zhōng），ＰＬＣ不停地周期掃（sǎo）描判斷刀盤換刀位置刀套（tào）號（hào）Ｃ０００２與Ｄ００９０目標刀套號是否一致（zhì）、換（huàn）刀位置刀套（tào）號Ｃ０００２裏麵刀（dāo）具號數據與（yǔ）Ｆ００２６指令調（diào）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停止高速脈衝輸（shū）出，刀盤控製電機停止運轉。

５．３Ｍ８５刀具表刷新

Ｍ８５指令代碼觸發變地址修改數據轉送指（zhǐ）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後，須重新刷新刀具表，以（yǐ）保證刀具數據表的狀（zhuàng）態與實際（jì）刀具的存儲狀態保持（chí）一致。Ｍ８５指令的分頻信號Ｒ０４００．０觸（chù）發ＸＭＯＶＢ指（zhǐ）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（zhì）刀（dāo）套號寫入（rù）刀具數據表的第一個數據Ｄ０１００地址。Ｍ８５指令的分頻（pín）信號（hào）Ｒ０４００．０觸發ＭＯＶＥ邏輯乘（與邏輯）指令（lìng），將Ｆ００２６目標刀具號寫入刀具數據表Ｄ０１００地址內主軸（zhóu）刀具號，刷新刀具數據表的目的就是（shì）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（dāo）盤當前（qián）換刀位置刀套號一致。

圖５ＣＯＩＮ一致性判斷指令

換刀動作的其他控製如刀臂動作、打刀缸鬆緊動作、刀套倒刀回刀動作都需要實現互鎖保護及信號到達延時確認。Ｆ００９６．２是（shì）主軸返回第二參考點確認信號，刀臂動作、倒刀動作的前提必須保證主軸返回第（dì）二參考點動作（zuò）完成（chéng）。

６、結語

本文分析了圓盤式刀庫配以換（huàn）刀機械手的換刀動（dòng）作和控製時序，設計（jì）了宏程序自定義調用（yòng）指令，基於隨機找刀模式設（shè）計了刀盤找刀ＰＭＣ控（kòng）製流程，重點闡述（shù）了換刀過程中刀套（tào）號數據與刀具號數據在控製程序中的信息流轉。

圖６刷新刀套號指令

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