謝　鵬，黎明柱，王　虎，謝欽善

（ 1.上海交通大學機械與動力工程學院，上?！?00300；2.中國中車戚墅堰機車有限公司，江蘇常州　213011 ）

隨機式凸輪機械手換刀研究與應(yīng)用

謝鵬1，黎明柱1，王虎2，謝欽善2

（ 1.上海交通大學機械與動力工程學院，上海200300；2.中國中車戚墅堰機車有限公司，江蘇常州213011 ）

介紹數(shù)控設(shè)備機械手換刀宏程序的順序控制與PMC輔助功能的實現(xiàn)方法。經(jīng)驗證調(diào)試，能夠準確的調(diào)出所需刀具號，保證了換刀的準確性。利用換刀宏程序、PMC程序及加工程序,分析刀具交換故障并快速找出故障點，可縮短維修時間以保證設(shè)備的正常運行。

數(shù)控；機械手；PMC；故障診斷

0　引言

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，隨著設(shè)備的智能化水平不斷提升，自動化流水線作業(yè)應(yīng)用機械手自動換刀日趨普及。機械手自動換刀能夠模擬人手做出各種復雜的動作，按預(yù)定的程序、軌跡和要求，實現(xiàn)自動抓取、裝載、復位動作，完成各種復雜工件的加工，縮短換刀時間，極大提高了零部件的生產(chǎn)效率。刀庫容量大小和機械手的自動程度決定了如數(shù)控機床、數(shù)控加工中心等設(shè)備的多工序加工的能力。本文介紹數(shù)控設(shè)備換刀宏程序的順序控制與PMC輔助功能的實現(xiàn)方法，在宏程序及PMC編程后，經(jīng)過多次驗證調(diào)試，能夠準確的調(diào)出所需刀具號，保證了換刀的準確性。

1　原理及流程

1.1 隨機式換刀原理

數(shù)控設(shè)備開機后，必須返回參考點，建立Z軸第一參考點及第二參考點是設(shè)備能夠正常換刀的前提條件，避免了機械手與Z軸方向的干涉。調(diào)試換刀程序時，在MDI方式下輸入“M06TXX”，通過參數(shù)NO6071設(shè)置為6，自動調(diào)用換刀宏程序O9001，開始進行刀具交換。執(zhí)行T代碼之后，F(xiàn)7.3刀具選通信號為1，進行T碼選通判斷，涉及到二進制及BCD碼一致性判別時，利用DCNV命令將BCD格式轉(zhuǎn)換為二進制編碼。引入COIN判別指令，D0002代表待換刀的刀具號，D0000代表主軸上的刀具號，如果兩者相等，表明刀就在主軸上，無需換刀，此時G54.1為1，即變量#1001EQ1時，跳出換刀宏程序。

1.2 換刀動作流程

數(shù)控機床自動換刀是順序控制，圖1為凸輪機械手順序換刀流程。整個換刀過程可分為九個步驟依次相互關(guān)聯(lián)的動作，結(jié)合刀具夾緊、松開、刀套位置、數(shù)刀開關(guān)及機械手到位信號來完成機械手刀具交換的一個完整動作。

圖1 機械手換刀流程

需要使用二進制變址數(shù)據(jù)傳送指令XMOVB進行刀具號數(shù)據(jù)表置換以交換刀號，否則易產(chǎn)生亂刀現(xiàn)象。換刀完成的終止動作是靠COIN判別語句指令，通過判斷D0002和D0000內(nèi)的數(shù)據(jù)是否相等，來決定是否繼續(xù)旋轉(zhuǎn)并尋找目標刀具，步距存放在地址數(shù)據(jù)塊中，當計算步距為0時，表明已找到所要更換刀具。

2　設(shè)計方案

2.1 換刀宏程序

宏程序即換刀子程序，用于讀寫CNC內(nèi)部#1000以上的數(shù)據(jù)，來表示各種數(shù)據(jù)的變化，如刀具當前位置和補償值。宏程序分別通過G54.0，G54.1，G54.2來表示主軸刀號，準備換刀號及T刀，對應(yīng)的變量為#1000、#1001及#1002，程序運行過程中通過宏程序的變量變化來觸發(fā)PMC的動作變化輸出。在執(zhí)行換刀指令時，宏程序集合PMC程序進行處理，首先在刀具表中找到所選刀具對應(yīng)的刀套號，刀庫捷徑旋轉(zhuǎn)到對應(yīng)的刀套位停止。執(zhí)行M06代碼，實現(xiàn)刀具交換，所選刀具由水平狀態(tài)倒至垂直狀態(tài)，完成倒刀動作，執(zhí)行M06代碼后，機床會自動調(diào)用換刀子程序O9001，之后Z軸自動返換刀點，M19主軸定位，機械手自動交換，包括：機械手扣刀，主軸松刀，機械手旋轉(zhuǎn)180度，刀具夾緊，機械手復原。當前刀套內(nèi)的刀具由垂直狀態(tài)返回至水平狀態(tài)，完成回刀動作，交換主軸上的刀號與當前刀套中的刀號，子程序返回，換刀結(jié)束。

2.2 換刀宏程序及換刀程序編制

換刀宏程序：

O9001； 調(diào)用子程序名稱

N10#1003=0； #1003變量為0對應(yīng)的F54.3為0，主軸無刀，等待換刀

N20 IF ［#1002EQ1］ GOTO 230；#1002對應(yīng)PMC輸出地址G54.2，T代表主軸換刀結(jié)束

N30 G21 G91 G30 P2 Z0； Z軸返回第二換刀參考點，等待換刀狀態(tài)

N40 M19；主軸定向

N50#1100=1； 對 應(yīng)PMC輸 出 地 址F54.0，刀具套翻下等待

N60 IF ［#1000EQ1］ GOTO 80； #1000對應(yīng)G54.0，T代碼檢索完成，等待換刀

N70 GOTO 40；

N80 M83； 刀具套翻下90°控制/倒刀

N90 M85；機械手電動機第一次啟動進行扣刀

N100 M81；主軸松開刀具并內(nèi)控吹氣

N110 M86；機械手第二次啟動進行拔刀、旋轉(zhuǎn)、插刀動作

N120 M82；主軸夾緊刀具

N130 M87；換刀機械手第三次啟動，返回原位置

N140 #1102=1； #1102對應(yīng)PMC的輸入地址F54.2，換刀完成，刀具套等待上翻

N150 M84； 刀具套翻上90°控制

N160#1101=1； #1101對應(yīng)PLC輸入地址F54.1，即換刀結(jié)束，數(shù)據(jù)表等待更新

N170 IF ［#1001EQ1］ GOTO 200；#1001=1對應(yīng)G54.1，刀庫及主軸刀具數(shù)據(jù)更新結(jié)束

N180 GOTO 150；

N190 #1100=0； CNC向PMC發(fā)送信號F54.0=0

N200 #1101=0； CNC向PMC發(fā)送信號F54.1=0

N210 #1102=0； CNC向PMC發(fā)送信號F54.2=0

N220 #1103=1； CNC向PMC發(fā)送信號F54.3=1

N230 M99； 換刀子程序結(jié)束

自動換刀編程舉例：

TXX；（預(yù)先選擇下道工序所需刀具）

G00 X-100 Y-100；（程序自動加工）

M05；

M06；（自動換刀）

TXX；（預(yù)先選擇下道工序所需刀具）

G00 X-100 Y-100；（程序自動加工）

由于數(shù)控系統(tǒng)提供的可選宏程序功能，較大提高了程序運行的速度，結(jié)合宏程序進行PMC編制，減少了編程的內(nèi)容，充分發(fā)揮了PMC進行時序處理的優(yōu)越性。宏程序控制整個換刀流程和動作，PMC程序控制機床的機械動作，進而輔助機床換刀，兩者緊密相連，缺一不可。

執(zhí)行加工程序時，預(yù)先選擇下一道工序所需刀具，在選刀的同時設(shè)備進行所選擇工序的自動加工，即自動選擇T刀和自動加工同時執(zhí)行。工序執(zhí)行完畢后，執(zhí)行M06換刀指令，實現(xiàn)刀具的交換。為節(jié)約換刀輔助時間，應(yīng)在下道工序執(zhí)行之前先進行刀具預(yù)選。

3　機械手、刀盤電氣控制部分

3.1 控制電路設(shè)計

利用PMC程序，通過中間繼電器控制KM1、KM2和KM3，實現(xiàn)機械手電動機正轉(zhuǎn)、刀盤正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。宏程序?qū)崿F(xiàn)換刀流程控制，PMC程序根據(jù)宏程序指令，實現(xiàn)具體的動作。

3.2 信號的地址分配

I/O輸入信號地址分配見圖2。X2.0、X2.1分別為主軸緊刀和松刀到位信號，X9.6、X9.7分別為刀具套翻下90°和翻上90°到位信號，X4.5為刀庫計數(shù)開關(guān)，X4.4、X8.2和X8.3分別為凸輪機械手原位，中間點和停止點接近開關(guān)檢測信號，X2.2為主軸手動方式主軸松刀輸入信號，X7.4、X7.5分別為機床刀庫側(cè)手動運行刀庫正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的按鈕輸入信號。這些輸入信號利用I/O模塊CB104，CB105，CB107接口總線，實現(xiàn)輸入信號的采集，結(jié)合PMC程序控制換刀過程。

圖2 換刀動作輸入信號

3.3 動作輸出控制

在PMC程序中，刀庫電動機正轉(zhuǎn)輸出信號為Y3.6，反轉(zhuǎn)輸出信號為Y3.7，機械手電動機動作信號為Y5.4。刀具套翻下90°輸出控制信號為Y5.0，主軸刀具夾緊輸出控制信號Y6.3，主軸松刀后吹氣電磁閥控制信號為Y6.4。這些經(jīng)過PMC程序處理后的信號，保證了每步換刀動作的安全，能夠在程序運行后，準確的調(diào)出正確的刀號。圖3為換刀動作輸出電氣設(shè)計。

圖3 換刀動作輸出信號

4　結(jié)語

數(shù)控設(shè)備的刀具數(shù)據(jù)存儲在PMC參數(shù)的斷電保護寄存器中，每次關(guān)機后，仍能記憶當前刀庫中各個刀套中的刀號，一般設(shè)備當前刀套號的數(shù)據(jù)記錄在計數(shù)器中，在日常使用中由于偶然因素造成了機床故障，導致計數(shù)器數(shù)據(jù)與實際刀套號不一致，可以先修改數(shù)據(jù)使之一致，之后再執(zhí)行換刀動作，從而可以避免出現(xiàn)撞刀故障。利用換刀宏程序、PMC程序及加工程序，來分析刀具交換故障，更易快速找出故障點，節(jié)省維修時間，保證設(shè)備的正常運行。

［1］劉勝勇.數(shù)控機床FANUC系統(tǒng)模塊化維修［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2013.

［2］劉永久.數(shù)控機床故障診斷與維修［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

Research and application of random cam manipulator

Xie Peng1， Li Ming Zhu1， Wang Hu2， Xie Qin Shan2
（1. School of mechanical and power engineering， Shanghai Jiao Tong University 200300， China 2. Zhongche Qishuyan Locomotive Co. Ltd. Changzhou City Jiang Su China 213011， China）

This paper introduces the sequence control of the manipulator macro program of CNC equipment and the realization method of the PMC auxiliary function. After verification and debugging， it can accurately select the required tool number， ensuring the accuracy of the tool changing. It is easier to find out the tool exchange fault quickly by using the tool changing macro program， PMC program and processing program， which saves the maintenance time and ensures the normal operation of the equipment.

CNC； ATC； PMC； Fault diagnosis

TP273

A

1674-2796（2016）03-0005-03

2016-03-12

謝鵬（1984—），男，大學本科，工程師，主要從事數(shù)控及自動化設(shè)備檢修工作。