矢量位置控制變頻器換刀系統(tǒng)分析

王雷

（利勃海爾（中國(guó)）有限公司，上海 200120）

加工中心的刀庫(kù)換刀系統(tǒng)是加工中心的一個(gè)主要特點(diǎn)，而加工中心在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中刀庫(kù)系統(tǒng)的故障率是比較高的，根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，加工中心的故障中，刀庫(kù)換刀系統(tǒng)的問題占了60%，因此真正領(lǐng)會(huì)編程設(shè)計(jì)人員的思路，深入分析刀庫(kù)系統(tǒng)的選刀換刀過程，熟悉信號(hào)與數(shù)據(jù)的傳遞路徑，是高效快速準(zhǔn)確的解決問題的關(guān)鍵，也是擺在維修人員面前的一個(gè)迫切的問題。MAZAK FF-660 臥式高速加工中心采用FANUC 18IM 數(shù)控系統(tǒng)并且以內(nèi)置FANUC PMC RB6 作為邏輯控制工具，它通過 接受面板控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)機(jī)床控制、機(jī)床外部開關(guān)量檢測(cè)、輸出信號(hào)控制、伺服使能、報(bào)警處理，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)通訊等功能實(shí)現(xiàn)刀庫(kù)選刀與換刀的控制。下面將對(duì)此問題進(jìn)行具體的闡述。

1 刀庫(kù)換刀系統(tǒng)硬軟件及執(zhí)行過程

MAZAK FF-660 加工中心刀庫(kù)換刀系統(tǒng)包括的主要硬件有FANUC PMC、矢量位置控制變頻器、刀庫(kù)、滑座（又稱中間套）、ATC 換刀臂以及刀庫(kù)電機(jī)，軟件隨機(jī)還刀選刀程序。

1.1 硬件結(jié)構(gòu)

FANUC 數(shù)控系統(tǒng)采用FANUC 18I-M 數(shù)控系統(tǒng)，它能通過CNC、PMC、MMC 機(jī)床外部信號(hào)之間的數(shù)據(jù)通訊實(shí)現(xiàn)加工程序與PMC 程序之間的互動(dòng)、調(diào)用與配合，實(shí)現(xiàn)選刀、還刀、刀具交換以及信號(hào)的交換傳遞。

FANUC PMC 是采用FANUC PMC RB6 型控制器，主要作用是對(duì)刀庫(kù)換刀動(dòng)作順序編程，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。最大編程步數(shù)達(dá)到32000，I/O 點(diǎn)最多分別可以使用1024 個(gè)，內(nèi)部繼電器可使用容量為3200BYTE，計(jì)數(shù)器200BYTE，計(jì)時(shí)器300BYTE，保持繼電器50BYTE，數(shù)據(jù)表8000BYTE，子程序2000 個(gè)，它的功能十分強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀、寫、傳遞、搜索、比較、邏輯運(yùn)算和賦值等。

矢量位置控制變頻器是日本安川電機(jī)生產(chǎn)的一種簡(jiǎn)易位置控制裝置，與普通的變頻器不同的是，它既有普通變頻器的速度控制又有位置控制，通過速度環(huán)控制刀庫(kù)轉(zhuǎn)速，通過位置環(huán)控制刀庫(kù)位置，而不是在PMC 中進(jìn)行位置環(huán)編程來控制刀庫(kù)位置，這就提高了換刀的速度。它能接收FANUC PMC發(fā)出來的控制字，也可以同時(shí)向PMC 發(fā)送狀態(tài)字，從而實(shí)現(xiàn)了與FANUC PMC 之間的通訊。它能比較PMC 發(fā)出的位置指令信號(hào)（控制字），和刀庫(kù)電機(jī)的絕對(duì)位置編碼器反饋的當(dāng)前位置信號(hào)，當(dāng)二者相等時(shí)，發(fā)出COIN 信號(hào)和當(dāng)前位置信號(hào)（狀態(tài)字）給PMC，告訴PMC 刀庫(kù)已經(jīng)按照位置指令旋轉(zhuǎn)到了指定的位置，從而通過控制刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的角度，來間接控制刀庫(kù)的位置，從控制方式的角度來說是一種半閉環(huán)絕對(duì)位置控制系統(tǒng)。

刀庫(kù)按照刀庫(kù)結(jié)構(gòu)分鏈?zhǔn)降稁?kù)和盤式刀庫(kù)，刀庫(kù)按其容量可分為16、24、32 把刀三種，在同一種刀庫(kù)結(jié)構(gòu)類型下，可以通過設(shè)定PMC 參數(shù)來定義刀庫(kù)的最大容量，例如，在MAZAK FF-660 中可以通過設(shè)定K1.0、K1.1 和K1.2 三個(gè)參數(shù)來定義不同的刀庫(kù)容量，它們的狀態(tài)組合如表1 所示。

表1

滑座（又稱中間套）是刀庫(kù)與ATC 換刀臂之間傳遞刀具的部件，它有一個(gè)能伸縮的刀套，通過伸縮實(shí)現(xiàn)刀具在其上的裝載和卸載，整個(gè)功能由四個(gè)動(dòng)作組合而成，即滑座運(yùn)動(dòng)到刀庫(kù)側(cè)伸縮進(jìn)行取刀和送刀，滑座運(yùn)動(dòng)到ATC 換刀臂側(cè)伸縮進(jìn)行取刀和送刀。這樣就實(shí)現(xiàn)了刀具在刀庫(kù)與ATC 換刀臂之間的傳遞。

ATC 換刀臂是實(shí)現(xiàn)主軸與滑座之間刀具交換的部件，主要由伸縮、旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作組合而實(shí)現(xiàn)刀具的交換，其中刀臂的伸縮由汽缸帶動(dòng)，機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)由變頻器控制，在有刀和無刀時(shí)的旋轉(zhuǎn)速度是不一樣的，這使得換刀動(dòng)作更加安全、可靠、高效。

刀庫(kù)電機(jī)：X3000 型飼服電機(jī)，帶絕對(duì)式光電編碼器。

1.2 隨機(jī)還刀選刀程序的執(zhí)行過程

1.2.1 隨機(jī)還刀選刀程序構(gòu)成

目前加工中心的換刀程序一般都采用隨機(jī)還刀選刀程序，只有當(dāng)它的正常運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)問題，而又不能短時(shí)間內(nèi)解決時(shí)，才臨時(shí)使用固定地址還刀選刀程序。它們之間的切換可以通過改變PMC 參數(shù)K8.7 的0 和1 狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)。

為更好地理解隨機(jī)還刀選刀程序，首先要說明一下數(shù)據(jù)表，數(shù)據(jù)表是在PMC 非易失性存儲(chǔ)器中開辟的一段存儲(chǔ)空間，用來保存大量數(shù)據(jù)，如刀庫(kù)自動(dòng)轉(zhuǎn)盤中的刀具號(hào)等，數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)可通過數(shù)據(jù)搜尋（DSCHB）或數(shù)據(jù)檢索與傳送（XMOVB）等功能指令來簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)讀寫和檢索。便于PMC 順序程序的尋址和讀寫，即使斷電的情況下也不會(huì)丟失其中的內(nèi)容。

隨機(jī)還刀選刀程序的特點(diǎn)是每次主程序執(zhí)行時(shí)都要調(diào)用幾個(gè)子程序，在子程序中又調(diào)用子程序。這幾個(gè)子程序分別是P147 自動(dòng)換刀子程序、P221 搜索數(shù)據(jù)表子程序、P222 讀數(shù)據(jù)表子程序、P223 寫數(shù)據(jù)表子程序、P100 刀庫(kù)子程序。

P147 的作用是執(zhí)行還刀時(shí)刀庫(kù)刀套號(hào)的搜索、選刀時(shí)刀庫(kù)刀套號(hào)的搜索、刀庫(kù)的選刀定位、新舊刀號(hào)的交換、舊刀號(hào)寫入數(shù)據(jù)表、新刀號(hào)從數(shù)據(jù)表中讀出等功能。

P221 作用是還刀時(shí)搜索刀庫(kù)中空刀套位置，選刀時(shí)搜索新刀號(hào)在刀庫(kù)中的位置，它的執(zhí)行是通過搜索數(shù)據(jù)表完成的。

P222 的作用是將新刀號(hào)從數(shù)據(jù)表中讀出。

P223 的作用是把還回刀庫(kù)的舊刀刀號(hào)寫入數(shù)據(jù)表中相應(yīng)的位置。

P100 的作用是刀庫(kù)的旋轉(zhuǎn)定位，以及讀取新刀刀號(hào)。

在調(diào)用子程序過程中反復(fù)用到以下幾個(gè)PMC 功能指令：

（1）DSCHB（二進(jìn)制數(shù)據(jù)檢索指令）指令。

它的作用是在數(shù)據(jù)表中搜索參數(shù)規(guī)定的檢索數(shù)據(jù)地址內(nèi)的數(shù)據(jù)，如果搜索到該數(shù)據(jù)，則將該其所在的地址送入檢索結(jié)果輸出地址中。

DSCHB 指令在P221 數(shù)據(jù)搜索子程序中的一個(gè)作用是還刀，還刀時(shí)搜索0 號(hào)刀（空刀）所在的數(shù)據(jù)表中的地址，即搜索空刀套。如果搜索指令輸出為0 則找到該地址，將該地址傳入刀庫(kù)刀套命令，刀庫(kù)按照此命令旋轉(zhuǎn)，將空刀套轉(zhuǎn)到還刀位置等待滑座還刀。

DSCHB 指令在P221 數(shù)據(jù)搜索子程序中另一個(gè)作用是選刀，選刀時(shí)在數(shù)據(jù)表中搜索指令規(guī)定的刀號(hào)，如果搜索指令輸出為0 則找到存儲(chǔ)該刀號(hào)的地址，將該地址傳入刀庫(kù)刀套命令，該刀套號(hào)就是刀庫(kù)即將旋轉(zhuǎn)的位置，PMC 將改刀套號(hào)傳給變頻器，變頻器旋轉(zhuǎn)，同時(shí)變頻器得到刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)電機(jī)編碼器反饋回的位置數(shù)據(jù)，變頻器比較這兩個(gè)數(shù)據(jù)，當(dāng)兩個(gè)數(shù)據(jù)相等時(shí)，發(fā)出COIN 信號(hào)給PMC 的X0.0 輸入，PMC 得到該輸入信號(hào)后，比較先前發(fā)出的刀庫(kù)位置指令與變頻器的反饋

回的是否一致，如果一致，進(jìn)入下一個(gè)動(dòng)作。

（2）XMOVB（二進(jìn)制變址數(shù)據(jù)傳送指令）指令。

它的作用主要是按照表內(nèi)號(hào)地址中的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)表中找到相應(yīng)的地址，并且將I/O 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址中的信息寫入該地址中，或者將該地址中的信息讀出到I/O 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址中。

XMOVB 指令在P223 寫數(shù)據(jù)表子程序中的作用是還刀時(shí)，將還回刀庫(kù)的刀具代碼寫入數(shù)據(jù)表中的相應(yīng)的地址中去，即記憶刀具在刀庫(kù)中的位置。

XMOVB 指令在P222 讀數(shù)據(jù)表子程序中的作用是取刀時(shí),從該刀具代碼所在的數(shù)據(jù)表地址中取出該刀具代碼，即從已經(jīng)到達(dá)取刀位置的刀庫(kù)刀套中將刀具代碼讀出來。

除了上面的兩種功能指令外，還有ADDB（二進(jìn)制加法運(yùn)算指令）指令、SUBB（二進(jìn)制減法運(yùn)算指令）指令、MOVN（傳送任意數(shù)目的字節(jié)指令）指令、NUMEB（定義二進(jìn)制常數(shù)指令）指令和COMPB（二進(jìn)制數(shù)值大小判別指令）指令等一些我們熟知的指令。

1.2.2 數(shù)據(jù)表地址內(nèi)數(shù)據(jù)置0

隨機(jī)還刀選刀的主要特點(diǎn)是向刀庫(kù)還回舊刀具時(shí)，必須尋找刀庫(kù)的空刀套，即在數(shù)據(jù)表中搜索被預(yù)先設(shè)置為零的地址。數(shù)據(jù)表中的地址D1-D32（以32 把刀刀庫(kù)為例）是與刀庫(kù)上面的刀套號(hào)一一對(duì)應(yīng)的，而這些地址內(nèi)的數(shù)據(jù)又與刀庫(kù)刀套里面刀具號(hào)一一對(duì)應(yīng)，這樣只要通過軟件找到數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)為零的地址，就找到了刀庫(kù)中沒有刀的空刀套，再通過硬件使刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)找到對(duì)應(yīng)的刀套位置，把舊刀放入該空刀套內(nèi)，這樣將舊刀還回刀庫(kù)的過程就完成了。

通常情況下，數(shù)據(jù)表中地址內(nèi)數(shù)據(jù)置0 的過程是自動(dòng)完成的，即當(dāng)滑座從刀庫(kù)中取新刀后，程序自動(dòng)將該刀號(hào)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表地址內(nèi)的數(shù)據(jù)置為0。當(dāng)然如果在刀庫(kù)實(shí)際使用的刀具數(shù)量小于刀庫(kù)最大容量時(shí)，也可以人為將空余不用的數(shù)據(jù)表D1-D32 中的地址設(shè)置為零，如果這樣設(shè)置后，這些空閑的刀套就有可能被用到，但是如果從機(jī)械磨損的角度來看，還是留下來做備用刀套比較合適。而且這樣設(shè)置還將導(dǎo)致整個(gè)換刀程序的延長(zhǎng)，因?yàn)橛锌赡茉黾恿艘粋€(gè)刀庫(kù)搜索的步驟。圖2 是程序調(diào)用分支結(jié)構(gòu)圖。

圖1

圖2

2 結(jié)語

以FANUC PMC 為控制核心的MAZAK 加工中心刀庫(kù)自動(dòng)換刀系統(tǒng)由兩套程序構(gòu)成，分別為隨機(jī)還刀選刀程序和固定地址還刀選刀程序，本文僅介紹了固定地址換刀程序。這兩套程序在系統(tǒng)中的位置是并列的，即當(dāng)其中的一套程序因?yàn)槟撤N故障原因不能正常運(yùn)行時(shí)，為了保證生產(chǎn)的進(jìn)行，可以通過更改系統(tǒng)參數(shù)來應(yīng)急啟動(dòng)另外一套程序。在正常情況下一般都采用隨機(jī)還刀選刀程序，這是因?yàn)樗裙潭ǖ刂愤€刀選刀程序少了一個(gè)工作步驟，節(jié)省了加工時(shí)間，使效率得到提高。

在熟悉了兩種換刀程序的過程和信號(hào)流程后，我們?cè)诰S修刀庫(kù)系統(tǒng)時(shí)就可以有目標(biāo)的檢查硬件軟件，根據(jù)外部的各種信息來深入的探索故障發(fā)生的內(nèi)因，這樣就做到了有的放矢，可以提高工作效率。