隨機(jī)式凸輪機(jī)械手換刀研究與應(yīng)用

謝　鵬，黎明柱，王　虎，謝欽善

（ 1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上?！?00300；2.中國(guó)中車戚墅堰機(jī)車有限公司，江蘇常州　213011 ）

隨機(jī)式凸輪機(jī)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(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200300；2.中國(guó)中車戚墅堰機(jī)車有限公司，江蘇常州213011 ）

介紹數(shù)控設(shè)備機(jī)械手換刀宏程序的順序控制與PMC輔助功能的實(shí)現(xiàn)方法。經(jīng)驗(yàn)證調(diào)試，能夠準(zhǔn)確的調(diào)出所需刀具號(hào)，保證了換刀的準(zhǔn)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(diǎn)，可縮短維修時(shí)間以保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

數(shù)控；機(jī)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(dòng)化流水線作業(yè)應(yīng)用機(jī)械手自動(dòng)換刀日趨普及。機(jī)械手自動(dòng)換刀能夠模擬人手做出各種復(fù)雜的動(dòng)作，按預(yù)定的程序、軌跡和要求，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、裝載、復(fù)位動(dòng)作，完成各種復(fù)雜工件的加工，縮短換刀時(shí)間，極大提高了零部件的生產(chǎn)效率。刀庫(kù)容量大小和機(jī)械手的自動(dòng)程度決定了如數(shù)控機(jī)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(shí)現(xiàn)方法，在宏程序及PMC編程后，經(jīng)過多次驗(yàn)證調(diào)試，能夠準(zhǔn)確的調(diào)出所需刀具號(hào)，保證了換刀的準(zhǔn)確性。

1　原理及流程

1.1 隨機(jī)式換刀原理

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

1.2 換刀動(dòng)作流程

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

圖1 機(jī)械手換刀流程

需要使用二進(jìn)制變址數(shù)據(jù)傳送指令XMOVB進(jìn)行刀具號(hào)數(shù)據(jù)表置換以交換刀號(hào)，否則易產(chǎn)生亂刀現(xiàn)象。換刀完成的終止動(dòng)作是靠COIN判別語(yǔ)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(biāo)刀具，步距存放在地址數(shù)據(jù)塊中，當(dāng)計(jì)算步距為0時(shí)，表明已找到所要更換刀具。

2　設(shè)計(jì)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(dāng)前位置和補(bǔ)償值。宏程序分別通過G54.0，G54.1，G54.2來表示主軸刀號(hào)，準(zhǔn)備換刀號(hào)及T刀，對(duì)應(yīng)的變量為#1000、#1001及#1002，程序運(yùn)行過程中通過宏程序的變量變化來觸發(fā)PMC的動(dòng)作變化輸出。在執(zhí)行換刀指令時(shí)，宏程序集合PMC程序進(jìn)行處理，首先在刀具表中找到所選刀具對(duì)應(yīng)的刀套號(hào)，刀庫(kù)捷徑旋轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的刀套位停止。執(zhí)行M06代碼，實(shí)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(dòng)作，執(zhí)行M06代碼后，機(jī)床會(huì)自動(dòng)調(diào)用換刀子程序O9001，之后Z軸自動(dòng)返換刀點(diǎn)，M19主軸定位，機(jī)械手自動(dòng)交換，包括：機(jī)械手扣刀，主軸松刀，機(jī)械手旋轉(zhuǎn)180度，刀具夾緊，機(jī)械手復(fù)原。當(dāng)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(dòng)作，交換主軸上的刀號(hào)與當(dāng)前刀套中的刀號(hào)，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(duì)應(yīng)的F54.3為0，主軸無(wú)刀，等待換刀

N20 IF ［#1002EQ1］ GOTO 230；#1002對(duì)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(diǎn)，等待換刀狀態(tài)

N40 M19；主軸定向

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

N60 IF ［#1000EQ1］ GOTO 80； #1000對(duì)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(jī)械手電動(dòng)機(jī)第一次啟動(dòng)進(jìn)行扣刀

N100 M81；主軸松開刀具并內(nèi)控吹氣

N110 M86；機(jī)械手第二次啟動(dòng)進(jìn)行拔刀、旋轉(zhuǎn)、插刀動(dòng)作

N120 M82；主軸夾緊刀具

N130 M87；換刀機(jī)械手第三次啟動(dòng)，返回原位置

N140 #1102=1； #1102對(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)G54.1，刀庫(kù)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(hào)F54.0=0

N200 #1101=0； CNC向PMC發(fā)送信號(hào)F54.1=0

N210 #1102=0； CNC向PMC發(fā)送信號(hào)F54.2=0

N220 #1103=1； CNC向PMC發(fā)送信號(hào)F54.3=1

N230 M99； 換刀子程序結(jié)束

自動(dòng)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(dòng)加工）

M05；

M06；（自動(dòng)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(dòng)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(yùn)行的速度，結(jié)合宏程序進(jìn)行PMC編制，減少了編程的內(nèi)容，充分發(fā)揮了PMC進(jìn)行時(shí)序處理的優(yōu)越性。宏程序控制整個(gè)換刀流程和動(dòng)作，PMC程序控制機(jī)床的機(jī)械動(dòng)作，進(jìn)而輔助機(jī)床換刀，兩者緊密相連，缺一不可。

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

3　機(jī)械手、刀盤電氣控制部分

3.1 控制電路設(shè)計(jì)

利用PMC程序，通過中間繼電器控制KM1、KM2和KM3，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手電動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)具體的動(dòng)作。

3.2 信號(hào)的地址分配

I/O輸入信號(hào)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(hào)，X9.6、X9.7分別為刀具套翻下90°和翻上90°到位信號(hào)，X4.5為刀庫(kù)計(jì)數(shù)開關(guān)，X4.4、X8.2和X8.3分別為凸輪機(jī)械手原位，中間點(diǎn)和停止點(diǎn)接近開關(guān)檢測(cè)信號(hào)，X2.2為主軸手動(dòng)方式主軸松刀輸入信號(hào)，X7.4、X7.5分別為機(jī)床刀庫(kù)側(cè)手動(dòng)運(yùn)行刀庫(kù)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的按鈕輸入信號(hào)。這些輸入信號(hào)利用I/O模塊CB104，CB105，CB107接口總線，實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的采集，結(jié)合PMC程序控制換刀過程。

圖2 換刀動(dòng)作輸入信號(hào)

3.3 動(dòng)作輸出控制

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

圖3 換刀動(dòng)作輸出信號(hào)

4　結(jié)語(yǔ)

數(shù)控設(shè)備的刀具數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在PMC參數(shù)的斷電保護(hù)寄存器中，每次關(guān)機(jī)后，仍能記憶當(dāng)前刀庫(kù)中各個(gè)刀套中的刀號(hào)，一般設(shè)備當(dāng)前刀套號(hào)的數(shù)據(jù)記錄在計(jì)數(shù)器中，在日常使用中由于偶然因素造成了機(jī)床故障，導(dǎo)致計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)與實(shí)際刀套號(hào)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(dòng)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(diǎn)，節(jié)省維修時(shí)間，保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

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

［2］劉永久.數(shù)控機(jī)床故障診斷與維修［M］.北京：機(jī)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(xué)本科，工程師，主要從事數(shù)控及自動(dòng)化設(shè)備檢修工作。