范芳洪

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電系，株洲 412001）

0 引言

機械手圓盤式刀庫換刀速度快、換刀穩(wěn)定，在數(shù)控加工中心上應(yīng)用越來越廣泛。在自動換刀過程中由于突發(fā)事件按下復(fù)位、急停開關(guān)或氣壓不足等某些原因會使換刀強行終止，這樣機械手和刀套就會停止在隨機位置，刀庫表的數(shù)據(jù)往往也會發(fā)生錯亂?；謴?fù)刀庫時既要復(fù)位機械手和刀套到原位，確保刀庫表[1]的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，還要操作簡單、安全、可靠。

1 問題的提出

在刀庫換刀中斷情況下，只有將機械手、刀套恢復(fù)到初始位置才能使機床正常工作。常用的方法有兩種，一種是傳統(tǒng)的恢復(fù)方法，通過手搖機械手電機使機械手回到原點位置（通過機械手原點位置開關(guān)的信號來確認(rèn)），和手按電磁閥使刀套回到原位（通過刀套原點位置開關(guān)的信號來確認(rèn)），這種恢復(fù)的方法麻煩，需要兩個人來配合完成，不但費時費力，影響加工效率，而且容易發(fā)生碰撞事故存在安全隱患。另外一種方法是有些機床生產(chǎn)廠家在操作面板上設(shè)置了機械手臂單步按鈕和刀套翻下/翻上按鈕，在手動方式下通過這兩個按鈕能使機械手和刀套回到原位，但當(dāng)換刀終止在機械手已扣刀還沒有拔出刀時只能用用第一種方法回原位。這兩種方法使機械手、刀套回原位后都要手動修改刀庫表，使刀庫表里的刀具號和刀庫實際刀套的刀具號一致，否則，換刀時會亂刀，引起事故。修改刀庫表如果不注意很容易出錯，輕則出現(xiàn)新的故障擴大了故障范圍，重則數(shù)據(jù)紊亂導(dǎo)致機床癱瘓，存在很大的風(fēng)險?？煽?、安全、操作簡單的換刀中斷故障恢復(fù)的方法，不僅操作人員可以快捷地將刀庫恢復(fù)正常，也減少了故障停機時間提高機床的利用率[2]。

下面以FANUC 0i MD系統(tǒng)的加工中心機械手圓盤式刀庫為例，介紹一種安全可靠的換刀中斷故障自動恢復(fù)的實現(xiàn)方法。

2 機械手圓盤式刀庫換刀的流程圖

機械手圓盤式刀庫采用就近選刀、隨機換刀[3]，換刀之前要設(shè)置好刀庫表，刀庫表是PMC數(shù)據(jù)存儲區(qū)的一張單元表格，用來記錄刀庫刀套內(nèi)的刀號信息，表中存儲單元地址和刀庫中的刀套號一一對應(yīng)，存儲單元的內(nèi)容就是相對應(yīng)刀套內(nèi)的刀具號。當(dāng)程序的目標(biāo)刀號發(fā)出后，先判斷目標(biāo)刀號是否合法（刀號不能大于刀庫中刀套的數(shù)量），不合法中斷換刀并發(fā)出報警，再判斷目標(biāo)刀號是否是主軸上，在主軸上就不需要換刀。如果需要換刀首先根據(jù)刀庫表所記錄的刀具號和刀套號的對應(yīng)關(guān)系檢索出對應(yīng)的刀套號，然后根據(jù)目標(biāo)刀套號和當(dāng)前位的刀套號計算出刀庫的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)步數(shù)并驅(qū)動刀庫電機旋轉(zhuǎn)，當(dāng)當(dāng)前刀套號和目標(biāo)刀套號一致時停止刀庫電機，主軸準(zhǔn)停、Z軸回?fù)Q刀位，啟動機械手交換刀具。當(dāng)?shù)毒呓粨Q完成后，更新刀庫表，刀庫表的更新就把刀庫表里的主軸上刀號和當(dāng)前刀套位的刀號相互交換，完成整個換刀。換刀的流程圖如圖1所示。

圖1 機械手圓盤式刀庫換刀流程圖

3 恢復(fù)刀庫主要解決的關(guān)鍵問題

刀庫換刀各個動作是一環(huán)扣一環(huán)的順序逐步完成，只有前一個動作確認(rèn)完成后，才能進(jìn)行下一個動作，從而保證了運動的可靠性。刀套的回位只有在機械手完全回原位后才能進(jìn)行，刀庫表的自動更新一般在刀套自動歸位后來完成，因此，只要記住刀庫換刀中斷時機械手的位置即可完成刀套原位的恢復(fù)和刀庫表的自動更新。這樣需要解決的問題可以歸結(jié)為以下兩點：

圖2 標(biāo)記監(jiān)控流程圖

1）要確定刀庫換刀終止時機械手停止的位置，再將機械手恢復(fù)到原位。

2）恢復(fù)機械手時刀庫表能夠自動更新，要確保刀庫數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。

4 刀庫自動恢復(fù)方法的提出

刀庫自動換刀實質(zhì)就是在執(zhí)行調(diào)用的換刀宏程序[4]，程序號由設(shè)計者自行來設(shè)定，一般為9000號以后的程序號，換刀過程中按復(fù)位或其它原因停止自動換刀的過程就是使換刀宏程序沒有被執(zhí)行完整而中途停止了。此時，只要能確定并記憶換刀宏程序中斷的位置，并將沒有執(zhí)行的程序調(diào)用執(zhí)行，通過這種方式使中斷后的換刀宏程序繼續(xù)執(zhí)行下去直到整個換刀過程正常結(jié)束，這樣就可以實現(xiàn)刀庫換刀中斷的自動恢復(fù)。

5 換刀中斷刀庫自動恢復(fù)方法的設(shè)計

5.1 標(biāo)記代碼的換刀宏程序和恢復(fù)子程序的設(shè)計

為了確定換刀宏程序中斷的位置，在換刀宏程序中的機械手可能停止的程序段之間加入標(biāo)記代碼[5]，標(biāo)記代碼可以是M輔助代碼，再通過對標(biāo)記的實時監(jiān)控就能知道程序停止的準(zhǔn)確位置。加入標(biāo)記的換刀宏程序如下。

在換刀宏程序中刀套翻下、機械手扣刀、主軸松刀、機械手交換刀具、主軸緊刀、機械手回原位、刀套翻上這些動作用都是用M輔助代碼通過PMC控制程序[6]實現(xiàn)的，在這些M輔助代碼后各加了一條標(biāo)記。在每個標(biāo)記代碼下設(shè)置了一個恢復(fù)子程序，恢復(fù)子程序號為O9021——O9027，恢復(fù)子程序就是換刀宏程序中沒有被執(zhí)行的程序。例如：程序停止在M77時，恢復(fù)子程序就為O9021，程序內(nèi)容如下：

其余的恢復(fù)子程序參照子程序O9021來編寫。

5.2 設(shè)置刀庫自動恢復(fù)功能鍵

換刀中發(fā)生中斷，宏程序終止，機械手和刀套不在原位，為了防止發(fā)生碰撞事故電氣設(shè)計上把機械手、刀套原位信號作為程序自動運行的互鎖信號[7]，機械手和刀套不在原位時程序不能自動執(zhí)行。為了恢復(fù)子程序的執(zhí)行，需要屏蔽機械手、刀套原位互鎖信號，使機械手在換刀中任何位置都能自動執(zhí)行恢復(fù)子程序。因此設(shè)計了一個“刀庫自動恢復(fù)功能鍵”，按下該鍵時屏幕上會顯示“刀庫自動恢復(fù)正在進(jìn)行”的提示，同時按鈕上的指示燈亮，機械手、刀庫原位互鎖信號不起作用，刀庫恢復(fù)完成后，再按下該鍵，屏幕上的提示信息消失，互鎖信號有效。機床操作面板上一般有廠家預(yù)留備用按鈕，因此可以不增加按鈕，利用面板上一個備用按鈕做“刀庫自動恢復(fù)功能鍵”。

5.3 標(biāo)記監(jiān)控程序的設(shè)計

標(biāo)記監(jiān)控程序[8]就是在換刀過程中通過對標(biāo)記M輔助代碼的執(zhí)行情況從而判斷出換刀宏程序終止的位置的PMC程序，當(dāng)換刀中斷時，標(biāo)記監(jiān)控程序能夠指出程序中斷的位置，并發(fā)出報警信息，提示用戶執(zhí)行相應(yīng)的恢復(fù)子程序，標(biāo)記監(jiān)控程序的流程圖如圖2所示。

6 刀庫自動恢復(fù)方法的應(yīng)用

假設(shè)程序停止在M77時，M90（標(biāo)記1）已被執(zhí)行而M91（標(biāo)記2）沒有被執(zhí)行。標(biāo)記監(jiān)控程序比較M90和M91的執(zhí)行情況，就可以知道程序停止在M77。此時發(fā)出報警信息，提示用戶執(zhí)行恢復(fù)子程序O9021來恢復(fù)刀庫。這時操作者先按下“刀庫自動恢復(fù)功能鍵”，解除程序自動運行的機械手、刀套原位互鎖信號，然后調(diào)用并執(zhí)行恢復(fù)子程序O9021，機械手和刀套自動回原位，刀庫表的數(shù)據(jù)也自動更新了。自動恢復(fù)完畢后，再按一次“刀庫自動恢復(fù)功能鍵”使程序自動運行的互鎖信號生效。

7 結(jié)論

用在換刀宏程序加標(biāo)記和執(zhí)行恢復(fù)子程序來自動恢復(fù)刀庫中斷故障的方法的優(yōu)點是編程簡單，安全、可靠。因為不對原刀庫的PMC程序做修改，只是增加標(biāo)記監(jiān)控PMC程序和增加恢復(fù)子程序即可，所以就避免了修改原刀庫PLC程序的風(fēng)險和降低了編程的難度。刀庫表能自動更新保證了刀庫表數(shù)據(jù)的正確，避免手動修改刀庫表數(shù)據(jù)出錯引起的機床故障。該方法操作簡單，操作人員根據(jù)提示能較快的恢復(fù)刀庫，同時也可以減少機床事故的發(fā)生，提高了機床的可靠性；對同行的技術(shù)人員也有一定的借鑒作用。

[1]FANUC0i數(shù)控系統(tǒng)PMC編程說明書[Z].

[2]曹健.加工中心自動換刀過程中斷恢復(fù)功能的設(shè)計及實現(xiàn)[J].制造技術(shù)與機床,2009(09)：125-125.

[3]牛軍燕.顧寄南.基于PLC的自動換刀系統(tǒng)研究[J].制造業(yè)自動化,2010(06)：35-36.

[4]FANUC0i數(shù)控系統(tǒng)加工中心編程說明書[Z].

[5]周炳文.實用數(shù)控機床故障診斷及維修技術(shù)500例[M].中國知識出版社,2006,8.

[6]FANUC系統(tǒng)刀庫典型PMC程序[Z].

[7]劉本鎖.數(shù)控機床故障分析與維修實例[M].冶金工業(yè)出版社,2008,6.

[8]朱自勤.數(shù)控機床電氣控制技術(shù)[M].中國林業(yè)出版社,2006,1.