數(shù)控車床FANUC系統(tǒng)配自動(dòng)線時(shí)的PLC控制邏輯

劉文濤， 頡鵬奎

（寶雞機(jī)床集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞 721013）

0 引言

隨著《中國(guó)制造2025》國(guó)策的提出，工業(yè)生產(chǎn)中的柔性自動(dòng)線已成為廣泛熱議的話題，隨之利用自動(dòng)線來(lái)代替人工操作機(jī)床的情況也越來(lái)越多。由于種類繁多，需求多樣，數(shù)控車床作為自動(dòng)線具體的末端操作對(duì)象，必須從實(shí)際出發(fā)對(duì)其進(jìn)行PLC控制編程，所以在數(shù)控車床中所使用的PLC控制邏輯也是各種各樣，而且也必須按照每個(gè)具體情況進(jìn)行控制編程，如果不是同一個(gè)項(xiàng)目中的同一個(gè)工序，就不能達(dá)到完全一樣，雖然在此方面的控制思路多種多樣，但是整體來(lái)講，其通用的控制邏輯還是相同的。而國(guó)內(nèi)研究文獻(xiàn)對(duì)概念性的框架闡述較多，但對(duì)具體操作和實(shí)際的控制處理方法描述的還是較少。所以，本文旨在對(duì)通用的控制部分進(jìn)行研究整理，以便于供相關(guān)人員進(jìn)行借鑒，進(jìn)而提高設(shè)計(jì)調(diào)試效率，并對(duì)初接觸者的掌握理解提供幫助，為最終的操作和維修人員提供參考。

1 交互信號(hào)的對(duì)接

數(shù)控車床與自動(dòng)線的信號(hào)交互可以通過(guò)以CCLINK、PROFIBUS等通信協(xié)議為基礎(chǔ)的總線方式進(jìn)行，也可以使用簡(jiǎn)單有效的繼電器方式來(lái)進(jìn)行。當(dāng)以總線方式進(jìn)行時(shí)，一般只需使用一根通信線纜即可，方便快速，但需要設(shè)備兩側(cè)滿足同一種通信協(xié)議，并設(shè)置準(zhǔn)確，對(duì)設(shè)備的通信要求較高。當(dāng)使用IO模塊的信號(hào)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行時(shí)，設(shè)備直接之間幾乎是硬件連接，簡(jiǎn)單明了，但需要說(shuō)明的是，一般使用這種IO高低電平直接來(lái)進(jìn)行交互的方式時(shí)，必須使用繼電器等方式進(jìn)行信號(hào)隔離，防止雙方電路出現(xiàn)故障時(shí)互相影響。

在這里，定義出通用的交互信號(hào)（具體地址可以自由定義），這些信號(hào)一般是雙方的基礎(chǔ)交互信號(hào)和常用控制信號(hào)，如表1所示。

表1 交互信號(hào)地址定義表

2 自動(dòng)線命令車床啟動(dòng)加工的方式

在自動(dòng)線命令車床啟動(dòng)機(jī)床加工程序時(shí)，一是通過(guò)觸發(fā)PLC中的啟動(dòng)信號(hào)直接啟動(dòng)，與車床上循環(huán)啟動(dòng)按鈕功能相同（在FANUC系統(tǒng)中即是利用觸發(fā)G7.2信號(hào)[1]），這種啟動(dòng)方式簡(jiǎn)單直接，但缺點(diǎn)是和車床循環(huán)啟動(dòng)按鈕隔離性不好，易誤操作和誤觸發(fā)導(dǎo)致機(jī)床誤啟動(dòng)和機(jī)器人動(dòng)作，而發(fā)生未預(yù)期的動(dòng)作，在安全措施得當(dāng)、規(guī)范性好的場(chǎng)合，如果要求啟動(dòng)靈活，可以使用這種方式。

另外一種是通過(guò)滿足加工程序中正在執(zhí)行的等待條件來(lái)啟動(dòng)，當(dāng)條件滿足時(shí)，執(zhí)行接下來(lái)的加工程序。這種方法不存在上述不足，而且也符合條件滿足時(shí)執(zhí)行的要求，另外這種方式下自動(dòng)線所監(jiān)控的車床一直是自動(dòng)允許中，不存在狀態(tài)切換，易于監(jiān)控人員判斷，是常用的也是推薦使用的方法。本文使用這種方式，也就是利用M代碼的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)這種功能，例如：M90為允許機(jī)器人上料，M91為允許機(jī)器人卸料。

3 對(duì)車床的控制流程圖

圖1為整個(gè)自動(dòng)加工的流程圖，需要說(shuō)明的是，利用M99循環(huán)程序，系統(tǒng)會(huì)默認(rèn)的是一直在執(zhí)行當(dāng)前程序，從未結(jié)束，所以如果要實(shí)現(xiàn)工件計(jì)數(shù)功能，則可以將其功能添加到工業(yè)機(jī)器人的計(jì)數(shù)功能中去，或者對(duì)車床的控制再進(jìn)行特殊處理。一般在自動(dòng)線開(kāi)機(jī)上料加工時(shí)，第一件工件需要人工手動(dòng)完成加工，以檢測(cè)自動(dòng)線初始化是否正常，而上述流程圖也滿足這種要求。

圖1 對(duì)車床的控制流程圖

4 車床輸出到自動(dòng)線的狀態(tài)信號(hào)控制要求

4.1 允許服務(wù)

首先當(dāng)自動(dòng)線接收到車床發(fā)出的允許服務(wù)信號(hào)時(shí)，才允許機(jī)械手進(jìn)入車床進(jìn)行操作。允許服務(wù)也可稱為安全信號(hào)[4]，是車床與機(jī)器人進(jìn)行實(shí)際交互的基礎(chǔ)，所以此信號(hào)需由各種安全要素組成。一般包括以下內(nèi)容：1）在自動(dòng)方式下；2）機(jī)床沒(méi)有報(bào)警；3）自動(dòng)門(mén)開(kāi)到位；4）機(jī)床刀塔回到安全位置，這里可以選取第二參考點(diǎn)作為標(biāo)志，將第二參考點(diǎn)設(shè)在安全位置[2]；5）機(jī)床處于程序中交換零件狀態(tài)，即在M90/M91狀態(tài)；6）若刀具有影響，則需要在條件里面加入刀號(hào)條件，限制在只有某號(hào)刀時(shí)才允許服務(wù)；7）其它還需要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定的條件，如主軸定向完成。

上述條件滿足時(shí)向自動(dòng)線發(fā)出允許服務(wù)信號(hào)。

這里需要指出的是，所有的狀態(tài)信號(hào)必須有實(shí)際的反饋信號(hào)作為支撐，以切實(shí)反映已達(dá)到此狀態(tài)的事實(shí)，不能僅僅利用命令加延時(shí)等這種不可靠的方式來(lái)確定機(jī)床的狀態(tài)，而且需要指出的是，使用實(shí)際線纜傳遞信號(hào)時(shí)，必須考慮有斷線情況發(fā)生時(shí)對(duì)狀態(tài)的影響。

4.2 卡盤(pán)已松開(kāi)和卡盤(pán)已夾緊

因?yàn)樽詣?dòng)線加工中多是大批量的一種零件，所以只用內(nèi)卡或只用外卡，為了保證安全可靠，應(yīng)當(dāng)按照一種方式（比如內(nèi)卡）來(lái)確定好卡盤(pán)狀態(tài)。利用卡盤(pán)夾緊工件為常見(jiàn)的方式，常見(jiàn)還有脹套等，但原理相同。

車床輸出卡盤(pán)松開(kāi)。檢測(cè)到松開(kāi)信號(hào)已到達(dá)無(wú)誤后，向自動(dòng)線輸出卡盤(pán)已松開(kāi)信號(hào)。

車床輸出卡盤(pán)夾緊。檢測(cè)到夾緊信號(hào)已到達(dá)無(wú)誤后，向自動(dòng)線輸出卡盤(pán)已夾緊信號(hào)。

4.3 允許機(jī)器人上料卸料

允許機(jī)器人服務(wù)信號(hào)輸出時(shí)，在卡盤(pán)已松開(kāi)狀態(tài)下，程序已等待在M90狀態(tài)時(shí)，向自動(dòng)線輸出允許機(jī)器人上料信號(hào)。

允許機(jī)器人服務(wù)信號(hào)輸出時(shí)，在卡盤(pán)已夾緊狀態(tài)下，程序已等待在M91狀態(tài)時(shí)，向自動(dòng)線輸出允許機(jī)器人卸料信號(hào)。

允許機(jī)器人上料、卸料也是車床與機(jī)器人開(kāi)始實(shí)際動(dòng)作的具體表現(xiàn)，此時(shí)執(zhí)行的過(guò)程除緊急情況一般不要人為停止自動(dòng)線的運(yùn)行，否則在恢復(fù)正常狀態(tài)時(shí)操作步驟較多，提升操作難度，若需要，可以在此步驟開(kāi)始前或結(jié)束后進(jìn)行停止。

4.4 車床報(bào)警信號(hào)

在車床發(fā)生報(bào)警時(shí)直接向自動(dòng)線輸出車床報(bào)警信號(hào)。

4.5 主軸定向完成

在車床主軸定向完成時(shí)直接向自動(dòng)線輸出主軸定向完成信號(hào)。

5 車床接收到自動(dòng)線的命令信號(hào)控制要求

在車床接收到自動(dòng)線的命令信號(hào)時(shí)，如果車床的狀態(tài)滿足命令信號(hào)執(zhí)行的條件，則立即執(zhí)行。如果條件不滿足，此信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)PLC掃描周期后[1],雖然信號(hào)仍然存在，但需要拒絕執(zhí)行（或者延時(shí)1 s后再拒絕執(zhí)行），以此來(lái)防止不安全現(xiàn)象發(fā)生?？偨Y(jié)一句話：當(dāng)前命令，立即執(zhí)行；當(dāng)前已過(guò)，拒絕命令。

5.1 卡盤(pán)夾緊和上料完成啟動(dòng)加工信號(hào)

當(dāng)接收到車床的允許上料信號(hào)時(shí)，機(jī)械手進(jìn)入到車床內(nèi)部向車床裝工件，安裝工件到位后向車床發(fā)送卡盤(pán)夾緊信號(hào)，接收到卡盤(pán)已夾緊信號(hào)后，回到安全位置，向車床發(fā)送上料完成、啟動(dòng)加工信號(hào)，車床啟動(dòng)，加工開(kāi)始。

5.2 卡盤(pán)松開(kāi)和卸料完成信號(hào)

當(dāng)接收到車床的允許卸料信號(hào)后，機(jī)械手進(jìn)入到車床內(nèi)部，抓好工件后，向車床發(fā)送卡盤(pán)松開(kāi)信號(hào)，接收到卡盤(pán)已松開(kāi)信號(hào)后，回到安全位置后發(fā)送卸料完成信號(hào)。

5.3 車床清洗

在卸料完成、機(jī)械手回到安全位置后，向車床發(fā)送車床清洗信號(hào)，車床啟動(dòng)清洗功能，然后車床完成自身的初始化等準(zhǔn)備工作，就轉(zhuǎn)入等待機(jī)器人上料狀態(tài)。

6 PLC舉例

PLC的處理主要以滿足上述論述邏輯為主，此處根據(jù)上述論述進(jìn)行舉例，如圖2～圖4所示。

圖2 車床對(duì)機(jī)器人的狀態(tài)輸出

圖3 卡盤(pán)夾緊控制命令

圖4 卡盤(pán)放松控制命令

7 循環(huán)程序處理

加工程序是自動(dòng)加工的重要組成部分，和PLC的處理邏輯是成一體的，通用的固定格式如下所示：

G28 U0 W0[3]//回到參考點(diǎn)(也可設(shè)置第二參考點(diǎn))，或回到安全位置

其主要步驟一般為：刀塔等到達(dá)固定的安全位置，刀架為固定刀位，不會(huì)和機(jī)械手發(fā)生干涉，然后執(zhí)行輔助動(dòng)作，如主軸定向，然后就可以執(zhí)行上下工件動(dòng)作，執(zhí)行之后就可以開(kāi)始加工，如此往復(fù)。

在加工程序中也可以根據(jù)實(shí)際情況增加測(cè)頭等功能，增加宏變量[5]等內(nèi)容，以實(shí)現(xiàn)更好的加工和更好的信號(hào)傳遞，但加工程序一旦正常運(yùn)行，一般就固定了，需做好保護(hù)措施。

8 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)線與車床聯(lián)機(jī)的情況多樣，但是對(duì)于起媒介作用的交互信號(hào)的處理方法基本類似，而且自動(dòng)線的控制邏輯一般固定好之后，變化較小，可以通用，能夠快速地復(fù)制到其它自動(dòng)線中。通過(guò)本文介紹的方法，對(duì)于一般的自動(dòng)線可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)線與車床的聯(lián)機(jī)，對(duì)于特殊類型的自動(dòng)線，加以調(diào)整，也可以很好地使用，本文介紹的邏輯也可以適用到西門(mén)子、廣數(shù)等數(shù)控系統(tǒng)中，對(duì)實(shí)際的各樣自動(dòng)線PLC處理邏輯也起到借鑒作用，具有較高的實(shí)踐意義。