劉志兵 孫志強

(沈機集團昆明機床股份有限公司，云南昆明650203)

為了擴大大重型數(shù)控落地式或龍門式鏜銑機床工件加工工藝范圍、縮短轉(zhuǎn)序流程，往往根據(jù)工件加工需求配備多種功能附件頭，如立銑頭、萬能頭、加長頭和平旋盤等。功能附件頭裝于機床的滑枕端面，傳統(tǒng)的更換方法是手動方式，現(xiàn)代數(shù)控機床設(shè)計多采用自動方式(配備附件頭架或頭庫)，換頭方式比較見表1。

表1 換頭方式比較

采用哪種換頭方式主要由用戶依據(jù)配備功能附件頭的品種、成本等綜合考慮后做出選擇。國外鏜銑床普遍配備自動換頭刀庫。隨著國內(nèi)數(shù)控機床逐漸向高檔次發(fā)展以及可靠性和快換接頭等關(guān)鍵輔件性能的提高、完善，具有頭庫的功能附件頭全自動更換鏜銑床逐漸成為主流發(fā)展趨勢。

我公司生產(chǎn)的TH69系列數(shù)控落地銑鏜床，根據(jù)用戶的需求配置有垂直銑頭、加長銑頭、萬能銑頭和平旋盤等，放置在4～5層頭庫中。應(yīng)用西門子840D系統(tǒng)開發(fā)的頭庫自動換頭程序，能夠?qū)崿F(xiàn)各種附件頭的自動識別、檢索和更換。就此開發(fā)設(shè)計思路探討如下。

1 自動換頭機械結(jié)構(gòu)與編程基本要求

TH69系列數(shù)控落地銑鏜床頭庫和滑枕端面結(jié)構(gòu)如圖1所示，滑枕前端有4個附件頭拉爪機構(gòu)，采用碟形彈簧拉緊，液壓松開方式，附件頭上對應(yīng)有4個拉釘，相配合將附件頭拉緊裝于滑枕前端。滑枕前端機械快換接頭供附件頭液壓油路、氣路及冷卻液等使用。電氣快換插頭則用于連接數(shù)控附件頭的伺服電動機、編碼器和位置檢測開關(guān)等。還有3個接近開關(guān)組合用來檢測和識別附件頭，頭庫中的每個附件頭對應(yīng)有唯一編碼。頭庫為封閉式頭庫，正面帶卷簾門，換頭時卷簾門自動開啟、自動關(guān)閉。頭庫的高度受機床Y軸行程的限制，容量與附件頭的數(shù)量有關(guān)，頭庫占用機床X軸行程。頭庫中的每一層設(shè)有開關(guān)元件供檢測附件頭放置是否在位和到位，各層擺放固定的附件頭，如圖2所示，頭庫共有4層，第一層(頂層)擺放端蓋板，第二層擺放加長銑頭，第三層擺放平旋盤，第四層擺放萬能銑頭。

需要更換附件頭時編輯NC換頭指令:ATH_LOAD(“頭名稱”)，它是一個參數(shù)子程序，“頭名稱”輸入附件頭漢語拼音縮寫，此附件頭就是需要從頭庫中裝載到滑枕上的附件頭。該指令簡單易記，對操作者而言換頭只要記住這一條指令足矣。它還是一條智能型指令，自動判斷附件頭名是否正確，是否已經(jīng)在滑枕上，滑枕上是否有附件頭，頭庫中是否存在需要的附件頭等，根據(jù)判斷執(zhí)行相應(yīng)換頭動作(如圖3)。

這里假設(shè)舊附件頭仍然在滑枕上，編程換頭指令A(yù)TH_LOAD(“新頭名稱”)，程序經(jīng)過自檢判別后執(zhí)行一個完整的“先還(卸載)舊頭，再取(裝載)新頭”的換頭循環(huán)，如圖4所示，圖中實線為卸載舊附件頭軌跡，虛線為裝載新附件頭軌跡。

執(zhí)行“卸載舊頭”指令:打開刀庫門，同時X軸、Y軸、Z軸(滑枕)及W軸(鏜軸)按序快速移動到預(yù)設(shè)的初始位置:Xp、Yp、Zp、Wp，在此位置操作者清潔主軸錐孔和滑枕;之后NC啟動，主軸準停在卸頭位置，同時XYZW 軸移動到換頭開始位置:Xf、Yp、Zp、Wf;等待頭庫門完全打開后，Z軸快速移動到換頭接近位置Zn;Z軸慢速移動到換頭終位Zf;Y軸慢速下降到換頭終位Yf;確認Zf、Yf到位后，發(fā)出附件頭拉爪松開指令，等待松開到位后，Z軸慢速退至Zn，拉爪夾緊;Z軸快速退至Zp;XYZW軸定位至裝載新附件頭的初始位置，等待裝載新頭指令。

執(zhí)行“裝載新頭”指令:坐標軸移動軌跡動作順序與上述“卸載舊頭”相反，坐標節(jié)點位置相同如圖4虛線所示，不再贅述。不同點處:在Zn位置拉爪松開;在Zf、Yf位置拉爪夾緊，附件頭裝載到滑枕上;并且Y軸慢速提起至Yn位置，附件頭脫離頭庫支撐;將附件頭移出頭庫;刀庫門關(guān)閉;“裝載新頭”結(jié)束。XYZW軸返回至預(yù)設(shè)的初始位置:Xp、Yp、Zp、Wp，在此位置操作者做檢查附件頭、裝刀等加工前的準備工作。

2 自動換頭控制流程與過程處理

西門子840D數(shù)控系統(tǒng)是開放式高檔數(shù)控系統(tǒng)，NC高級編程語言除完成一般機床動作外，還可以直接訪問系統(tǒng)變量、用戶定義變量、進行BOOL邏輯運算、與PLC進行快速信號交換等，功能非常強大。因此附件頭更換以NC程序設(shè)計為主是完全可行的，換頭程序模塊以換頭指令子程序ATH_LOAD(“頭名稱”)為主要子程序，其他子程序均作為被調(diào)用子程序:如，MAG_ATH_QUOTE(位置賦值子程序)，MAG_ATH_UNLOAD(卸載子程序)和MAG_ATH_LOAD(裝載子程序)。自動換頭控制流程如圖3所示。

如圖5自動換頭過程處理框圖所示，以NC程序為主體發(fā)出換頭指令并承擔(dān)主要控制任務(wù)，PLC承擔(dān)機床側(cè)部分的控制任務(wù)，NC與PLC可以通過兩個數(shù)據(jù)交換區(qū)進行數(shù)據(jù)通訊，協(xié)調(diào)NC和PLC動作控制。UGUD用戶數(shù)據(jù)變量和UMAC用戶宏指令變量，分別由設(shè)計者在系統(tǒng)初始化文件UGUD.def和UMAC.def中編輯，編輯的這些變量上電時生效并顯示在指定的頁面，可以通過def文件或NC、PLC程序給這些變量賦值。設(shè)計中就直接用用戶定義的變量編程，增加了程序的可讀性、標準化、規(guī)范性和模塊化。

3 換頭程序設(shè)計示例

3．1 NC換頭子程序

3.1.1 換頭指令子程序ATH_LOAD(“頭名稱”)

換頭指令子程序ATH_LOAD(“頭名稱”)，直接由用戶在NC加工程序中編程調(diào)用。它完成對附件頭名稱和編碼進行解譯、解碼和位置賦值;邏輯判斷;并順序調(diào)用位置賦值子程序MAG_ATH_QUOTE、卸載子程序MAG_ATH_UNLOAD和裝載子程序MAG_ATH_LOAD。

例1:CMA.DIRATH_LOAD.SPF

換頭指令子程序ATH_LOAD(“頭名稱”)、卸載子程序MAG_ATH_UNLOAD和裝載子程序MAG_ATH_LOAD都是機床制造商子程序，設(shè)置保護用戶不能修改。位置賦值子程序MAG_ATH_QUOTE對終端用戶開放，允許修改換頭位置。

3.1.2 位置賦值子程序MAG_ATH_QUOTE

該子程序給出了每個附件頭在換頭過程中各節(jié)點位置的機床坐標值，在換頭指令子程序ATH_LOAD(“頭名稱”)中調(diào)用，以變量名形式編程賦值換頭坐標值。

例2:CMA.DIRMAG_ATH_QUOTE.SPF

3.1.3 卸載子程序MAG_ATH_UNLOAD

卸載子程序MAG_ATH_UNLOAD由換頭指令子程序ATH_LOAD(“頭名稱”)調(diào)用，完成將舊附件頭卸載到頭庫中。在此程序中會對當(dāng)前滑枕端上有無附件頭、是否為編程的裝載新附件頭等作出判斷，根據(jù)判斷結(jié)果執(zhí)行卸載動作。

例3:CMA.DIRMAG_ATH_UNLOAD

3.1.4 裝載子程序MAG_ATH_LOAD

裝載子程序MAG_ATH_LOAD由換頭指令子程序ATH_LOAD(“頭名稱”)調(diào)用，完成將參數(shù)“頭名稱”中要求的附件頭裝載到滑枕上。在此程序中首先會對頭庫內(nèi)存放的附件頭做檢索、判斷，根據(jù)檢索和判斷的結(jié)果執(zhí)行裝載附件頭。

例4:CMA.DIRMAG_ATH_LOAD

用戶在加工使用中，只需要記住ATH_LOAD(“頭名稱”)這一條指令，并填寫需要裝載的附件頭名稱漢語拼音縮寫。程序會自動識別、檢索、判斷當(dāng)前附件頭的狀態(tài)，并區(qū)分不同情況自動完成規(guī)定的動作。

例5:換頭子程序ATH_LOAD(“頭名稱”)調(diào)用示例

3．2 PLC換頭程序

PLC程序設(shè)計中采用了模塊化、參數(shù)化和標準化的編程方法，按功能將程序分成不同的功能塊，利用程序功能塊形式參數(shù)編程特點，將經(jīng)典控制功能程序模塊化。程序結(jié)構(gòu)如下:

自動換頭的PLC控制主要包括機床自動定位、滑枕和頭庫中附件頭自動識別、附件頭拉爪的控制及NC-PLC數(shù)據(jù)傳送，而附件頭自動識別控制是自動換頭中的關(guān)鍵點。當(dāng)附件頭裝載到滑枕端面上時，滑枕端面的3個接近開關(guān)輸出邏輯組合信號，PLC程序作處理后，裝載到數(shù)據(jù)塊DB122中，再通過數(shù)據(jù)交換程序(西門子標準程序FC21)傳送到NC程序中。

例6:FC230附件頭識別和數(shù)據(jù)交換示例

例7:FC231頭庫位置識別和數(shù)據(jù)交換示例

4 結(jié)語

應(yīng)用該設(shè)計思路開發(fā)的頭庫管理及自動換頭程序，縮短了NC、PLC程序的調(diào)試周期，以及新機床頭庫管理程序設(shè)計周期，減少了設(shè)計錯誤，縮短產(chǎn)品的試制和生產(chǎn)周期。在我公司TH69系列多臺數(shù)控落地銑鏜床中得到實際應(yīng)用驗證，包括數(shù)控分度萬能銑頭、AC五軸銑頭、數(shù)控平旋盤等復(fù)雜銑頭的自動更換，編程和操作都非常簡便。降低了操作者的勞動強度，節(jié)約了附件頭裝/卸載的時間，大大提高了機床加工效率，運行效果良好，并取得了良好的經(jīng)濟和社會效益。

［1］Manufacturer/Service documentation.SINUMERIK840D/810D(CCU2)/FM-NC，Special Function(Part3)Description of Function，08［Z］.2006 Edition.

［2］Manufacturer/Service documentation.SINUMERIK840D/810D，Lists，Perameter Manual，11［Z］.2006 Edition.

［3］User documentation.SINUMETIK840D/810D，Job Planning，Programming Manual，11［Z］.2006 Edition.

［4］User documentation.SINUMETIK840D/810sl，List of System Variables，Perameter Manual 11［Z］.2006 Edition.