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FANUC 0i系统加工中心刀库和凸轮式机械手的PMC控制
2013-3-27  来源:  作者:兰溪联强数控机床有限公司,徐晓东, 施桂

      0 引言

 

      加工中心利用刀库实现换刀, 这是目前加工中心大量使用的换刀方式。由于有了刀库, 机床只要一个固定主轴夹持刀具, 有利于提高主轴刚度。独立的刀库, 大大增加了刀具的储存数量, 有利于扩大机床的功能, 并能较好地隔离各种影响加工精度的干扰因素。刀库换刀, 按照换刀过程有无机械手参与, 分成有机械手换刀和无机械手换刀两种情况。在有机械手换刀的过程中, 使用一个机械手将加工完毕的刀具从主轴中拔出, 与此同时, 另一机械手将在刀库中待命的刀具从刀库拔出, 然后两者交换位置, 完成换刀过程。有机械手的系统在刀库配置、与主轴的相对位置及刀具数量上都比较灵活, 换刀时间短。FANUC 系统是国内外在加工中心上使用最多的数控系统之一。

 

       1 凸轮机械手刀库简介

 

      以无原点的刀库为例, 介绍凸轮机械手的刀库与FANUC 0 i系统配套的PMC控制实现方法。与电气设计相关的机械手部件主要包括刀库电机, 机械手电机, 倒刀气缸及一些传感器。其中刀库电机为三相异步电机并带制动机构, 用于驱动刀库正转和反转; 机械手电机为三相异步电机, 单方向旋转, 带动凸轮控制机械手完成/扣刀0/交换刀具0/ 机械手回原点0等动作; 倒刀气缸, 控制刀库中换刀位置的刀套进入水平, 或垂直状态。传感器包括刀库计数、刀库到位信号、刀套水平信号、刀套垂直信号、机械手原点信号、机械手电机停止信号、扣刀到位信号等。各传感器及刀库时序如图1所示。

  

 

       2 随机换刀算法

 

       机械手换刀涉及到随机换刀。要实现随机换刀需要相应的算法并建立刀号数据表。数据表可建立在FANUC 系统的D数据寄存区。以24个刀位的刀库为例, 将初始化时每个刀位上的刀编号为1~ 24, 把初始化时主轴上的刀编为25号。则可在D 寄存区建立下面的数据表:

 

       D1------- 刀盘1号位置上的刀号

 

       D2-------  刀盘2号位置上的刀号

 

       D24-------  刀盘24号位置上的刀号

 

       D25-------主轴上的刀套号

 

       当然也可以根据采用刀位置作为数据表内容, 应的表如下:

 

       D1-------  1号刀所在的刀盘位置或者在主轴上

 

       D2-------  2号刀所在的刀盘位置或者在主轴上,

 

       D24-------  24号刀所在的刀盘位置或者在主轴上

 

       D25-------  25号刀所在的刀盘位置或者在主轴上

 

       实际编写PMC 程序时还有旋转控制指令所需要的转台定位号, 当前换刀位置, 目标地址, 运行结果等可以选择D 寄存器或者C 寄存器给出地址。

 

       地址分配完成后, 可以给出随机换刀算法, 随机换刀是由数控程序给出的T指令作为程序入口, 根据T指令给出的目标刀号作出旋转刀盘或者给出出错或者提示信息, 流程图如图2所示

 

 

       需要说明的是其中流程图中由T代码结束信号作为程序入口比用T代码选通信号作为程序入口的好处是, 当连续出现T指令时多个选通信号容易造成一个T代码未处理完成而另一个T 代码已经开始处理, 这样容易造成乱刀现象。由于CTR 指令可以存储转台位置, ROT ( ROTB )指令的输出结果相应的可以选择目标位。这样比起ROT ( ROTB)指令运算结果输出转台步数方便, 也不容易出现乱刀。ROTB 指令和CTR 指令实现选刀的PMC 梯形图, 如图3所示。

 

 

 

       3 机械手顺序控制

 

       机械手换刀作为顺序控制, 用梯形图语言实现较为方便, 可以给出下面的顺序控制图, 如图4所示。

 

 

       作为具有随机换刀功能的加工中心, 应有刀具准备功能, 这样选刀和换刀指令可以灵活配合使用, :可以是T04M 06表示选择4号刀换至主轴; 也可以是T05M06T03, 表示选择05 号刀换至主轴作为当前刀具, 03号刀旋转刀换刀位置; 还可以是M06T05, 表示将当前换刀位置的刀具换至主轴, 05号刀旋转到换刀位置。当然单独的T指令, M06指令也可以使用, 多个T指令M06指令连续出现也同样正确执行。并且应保证T28M06这类错误指令(总共25个刀号)不执行换刀。则机械手顺序控制程序应根据上述各种情况给出提示信息, 并防止刀库及机械手误动作。如果机械手动作不正确, 会造成设备损坏, 因此PMC程序应对各个执行机构的动作做必要的互锁保护, 总结如下:

 

       1)刀库正反转互锁;

 

       2)无刀套水平位置到位信号, 或刀库电机过载时刀库不能转动;

 

       3)无机械手原点到位信号, Z 轴进给保持;

 

       4) Z 轴没有进入换刀区, 或机械手电机过载时机械手不能动作;

 

       5)无刀套垂直信号, 机械手不能动作;

 

       6)无主轴停止信号及定向信号时, 不能松刀;

 

       7)无机械手原点信号, 刀套不能动作。

 

       8)刀库旋转, 机械手不能动作。

 

       由于机械手动作作为顺序控制对于FANUC 系统PMC来说比较容易实现, 但顺序控制各步的转换依靠各种信号来切换, 信号正确步相互干涉才能保证顺序程序正确执行。数控系统的可编程控制器有其独特的特点, MST 功能选通和结束这些信号, 则为了调试方便, 可以把刀库机械手的每一个动作分开为一个M功能, 如分解为倒刀M40, 扣刀M41, 松刀M42, 换刀M 43, 回原点M44, 回刀M45。然后在用户宏程序中将各动作组合成整个机械手换刀过程。这样做的好处是信号之间不易产生干涉, 出现故障也容易查找。大大降低了调试难度。

 

       4 报警及信息提示

 

       报警和操作信息提示制作是PMC 程序必不可少的一部分。报警信息一方面是提示用户, 另一方面也控制机床在发生故障时能停止数控程序的执行。操作信息充分可以给用户一个友好的工作介面。与机械手换刀相关的报警及操作信息提示可以做的很细致, 如刀盘电机, 机械手电机过载, 各工作过程中机械手信号未到位, 机械手动作超时, T 代码给出的刀号, T 代码给出的刀号在主轴上等等。加工中心主轴速度高, 一般都是全封闭式的。则随机换刀的一条关键的操作信息是要显示主轴当前刀号和当前换刀位置上的刀号, 这对操作者编写加工程序相当重要。由于操作信息中主轴上的刀具号和当前换刀位置上的刀具号是随机变化的。FANUC 系统PMC具有数值数据显示功能, 数值数据格式为[ Ib id, t t t t ] , / b0表示字节数( 1, 2, 4), / i0表示整数部分的位数, / d0表示小数部分的位数, / t t t t 0表示存储数值的数据地址, 数据数值必须为二进制格式。比如可以编写这样一条操作信息/主轴上的刀具号= [ I220, D30 ], 当前换刀位置的刀具= [ I220, D32 ] 0 ( FANUC 0i系统实际编写报警操作信息时采用英文)。则编写PMC程序时在执行机械手换刀指令M06后将主轴上的刀具号写入D30单元, 在执行T 指令刀具准备后将该刀具号写入D32单元即可随机显示主轴上的刀号和当前换刀位置上的刀号。

 

       5 结束语

 

       结合配FANUC 0i的凸轮机械手LH 714加工中心电气设计调试实践, 总结了这类加工中心的电气设计调试要点及主要环节, 对随机换刀算法, 机械手顺序控制以及报警提示信息的相关问题作了介绍。并针对调试过程出现的相关问题, 提出了一些思路。对类似的机械手加工中心电气设计调试有一定的借鉴价值。

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