范芳洪

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，株洲 412001）

0 引言

機(jī)械手圓盤式刀庫(kù)換刀速度快、換刀穩(wěn)定，在數(shù)控加工中心上應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在自動(dòng)換刀過程中由于突發(fā)事件按下復(fù)位、急停開關(guān)或氣壓不足等某些原因會(huì)使換刀強(qiáng)行終止，這樣機(jī)械手和刀套就會(huì)停止在隨機(jī)位置，刀庫(kù)表的數(shù)據(jù)往往也會(huì)發(fā)生錯(cuò)亂。恢復(fù)刀庫(kù)時(shí)既要復(fù)位機(jī)械手和刀套到原位，確保刀庫(kù)表[1]的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，還要操作簡(jiǎn)單、安全、可靠。

1 問題的提出

在刀庫(kù)換刀中斷情況下，只有將機(jī)械手、刀套恢復(fù)到初始位置才能使機(jī)床正常工作。常用的方法有兩種，一種是傳統(tǒng)的恢復(fù)方法，通過手搖機(jī)械手電機(jī)使機(jī)械手回到原點(diǎn)位置（通過機(jī)械手原點(diǎn)位置開關(guān)的信號(hào)來(lái)確認(rèn)），和手按電磁閥使刀套回到原位（通過刀套原點(diǎn)位置開關(guān)的信號(hào)來(lái)確認(rèn)），這種恢復(fù)的方法麻煩，需要兩個(gè)人來(lái)配合完成，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，影響加工效率，而且容易發(fā)生碰撞事故存在安全隱患。另外一種方法是有些機(jī)床生產(chǎn)廠家在操作面板上設(shè)置了機(jī)械手臂單步按鈕和刀套翻下/翻上按鈕，在手動(dòng)方式下通過這兩個(gè)按鈕能使機(jī)械手和刀套回到原位，但當(dāng)換刀終止在機(jī)械手已扣刀還沒有拔出刀時(shí)只能用用第一種方法回原位。這兩種方法使機(jī)械手、刀套回原位后都要手動(dòng)修改刀庫(kù)表，使刀庫(kù)表里的刀具號(hào)和刀庫(kù)實(shí)際刀套的刀具號(hào)一致，否則，換刀時(shí)會(huì)亂刀，引起事故。修改刀庫(kù)表如果不注意很容易出錯(cuò)，輕則出現(xiàn)新的故障擴(kuò)大了故障范圍，重則數(shù)據(jù)紊亂導(dǎo)致機(jī)床癱瘓，存在很大的風(fēng)險(xiǎn)?？煽?、安全、操作簡(jiǎn)單的換刀中斷故障恢復(fù)的方法，不僅操作人員可以快捷地將刀庫(kù)恢復(fù)正常，也減少了故障停機(jī)時(shí)間提高機(jī)床的利用率[2]。

下面以FANUC 0i MD系統(tǒng)的加工中心機(jī)械手圓盤式刀庫(kù)為例，介紹一種安全可靠的換刀中斷故障自動(dòng)恢復(fù)的實(shí)現(xiàn)方法。

2 機(jī)械手圓盤式刀庫(kù)換刀的流程圖

機(jī)械手圓盤式刀庫(kù)采用就近選刀、隨機(jī)換刀[3]，換刀之前要設(shè)置好刀庫(kù)表，刀庫(kù)表是PMC數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的一張單元表格，用來(lái)記錄刀庫(kù)刀套內(nèi)的刀號(hào)信息，表中存儲(chǔ)單元地址和刀庫(kù)中的刀套號(hào)一一對(duì)應(yīng)，存儲(chǔ)單元的內(nèi)容就是相對(duì)應(yīng)刀套內(nèi)的刀具號(hào)。當(dāng)程序的目標(biāo)刀號(hào)發(fā)出后，先判斷目標(biāo)刀號(hào)是否合法（刀號(hào)不能大于刀庫(kù)中刀套的數(shù)量），不合法中斷換刀并發(fā)出報(bào)警，再判斷目標(biāo)刀號(hào)是否是主軸上，在主軸上就不需要換刀。如果需要換刀首先根據(jù)刀庫(kù)表所記錄的刀具號(hào)和刀套號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系檢索出對(duì)應(yīng)的刀套號(hào)，然后根據(jù)目標(biāo)刀套號(hào)和當(dāng)前位的刀套號(hào)計(jì)算出刀庫(kù)的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)步數(shù)并驅(qū)動(dòng)刀庫(kù)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)當(dāng)前刀套號(hào)和目標(biāo)刀套號(hào)一致時(shí)停止刀庫(kù)電機(jī)，主軸準(zhǔn)停、Z軸回?fù)Q刀位，啟動(dòng)機(jī)械手交換刀具。當(dāng)?shù)毒呓粨Q完成后，更新刀庫(kù)表，刀庫(kù)表的更新就把刀庫(kù)表里的主軸上刀號(hào)和當(dāng)前刀套位的刀號(hào)相互交換，完成整個(gè)換刀。換刀的流程圖如圖1所示。

圖1 機(jī)械手圓盤式刀庫(kù)換刀流程圖

3 恢復(fù)刀庫(kù)主要解決的關(guān)鍵問題

刀庫(kù)換刀各個(gè)動(dòng)作是一環(huán)扣一環(huán)的順序逐步完成，只有前一個(gè)動(dòng)作確認(rèn)完成后，才能進(jìn)行下一個(gè)動(dòng)作，從而保證了運(yùn)動(dòng)的可靠性。刀套的回位只有在機(jī)械手完全回原位后才能進(jìn)行，刀庫(kù)表的自動(dòng)更新一般在刀套自動(dòng)歸位后來(lái)完成，因此，只要記住刀庫(kù)換刀中斷時(shí)機(jī)械手的位置即可完成刀套原位的恢復(fù)和刀庫(kù)表的自動(dòng)更新。這樣需要解決的問題可以歸結(jié)為以下兩點(diǎn)：

圖2 標(biāo)記監(jiān)控流程圖

1）要確定刀庫(kù)換刀終止時(shí)機(jī)械手停止的位置，再將機(jī)械手恢復(fù)到原位。

2）恢復(fù)機(jī)械手時(shí)刀庫(kù)表能夠自動(dòng)更新，要確保刀庫(kù)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。

4 刀庫(kù)自動(dòng)恢復(fù)方法的提出

刀庫(kù)自動(dòng)換刀實(shí)質(zhì)就是在執(zhí)行調(diào)用的換刀宏程序[4]，程序號(hào)由設(shè)計(jì)者自行來(lái)設(shè)定，一般為9000號(hào)以后的程序號(hào)，換刀過程中按復(fù)位或其它原因停止自動(dòng)換刀的過程就是使換刀宏程序沒有被執(zhí)行完整而中途停止了。此時(shí)，只要能確定并記憶換刀宏程序中斷的位置，并將沒有執(zhí)行的程序調(diào)用執(zhí)行，通過這種方式使中斷后的換刀宏程序繼續(xù)執(zhí)行下去直到整個(gè)換刀過程正常結(jié)束，這樣就可以實(shí)現(xiàn)刀庫(kù)換刀中斷的自動(dòng)恢復(fù)。

5 換刀中斷刀庫(kù)自動(dòng)恢復(fù)方法的設(shè)計(jì)

5.1 標(biāo)記代碼的換刀宏程序和恢復(fù)子程序的設(shè)計(jì)

為了確定換刀宏程序中斷的位置，在換刀宏程序中的機(jī)械手可能停止的程序段之間加入標(biāo)記代碼[5]，標(biāo)記代碼可以是M輔助代碼，再通過對(duì)標(biāo)記的實(shí)時(shí)監(jiān)控就能知道程序停止的準(zhǔn)確位置。加入標(biāo)記的換刀宏程序如下。

在換刀宏程序中刀套翻下、機(jī)械手扣刀、主軸松刀、機(jī)械手交換刀具、主軸緊刀、機(jī)械手回原位、刀套翻上這些動(dòng)作用都是用M輔助代碼通過PMC控制程序[6]實(shí)現(xiàn)的，在這些M輔助代碼后各加了一條標(biāo)記。在每個(gè)標(biāo)記代碼下設(shè)置了一個(gè)恢復(fù)子程序，恢復(fù)子程序號(hào)為O9021——O9027，恢復(fù)子程序就是換刀宏程序中沒有被執(zhí)行的程序。例如：程序停止在M77時(shí)，恢復(fù)子程序就為O9021，程序內(nèi)容如下：

其余的恢復(fù)子程序參照子程序O9021來(lái)編寫。

5.2 設(shè)置刀庫(kù)自動(dòng)恢復(fù)功能鍵

換刀中發(fā)生中斷，宏程序終止，機(jī)械手和刀套不在原位，為了防止發(fā)生碰撞事故電氣設(shè)計(jì)上把機(jī)械手、刀套原位信號(hào)作為程序自動(dòng)運(yùn)行的互鎖信號(hào)[7]，機(jī)械手和刀套不在原位時(shí)程序不能自動(dòng)執(zhí)行。為了恢復(fù)子程序的執(zhí)行，需要屏蔽機(jī)械手、刀套原位互鎖信號(hào)，使機(jī)械手在換刀中任何位置都能自動(dòng)執(zhí)行恢復(fù)子程序。因此設(shè)計(jì)了一個(gè)“刀庫(kù)自動(dòng)恢復(fù)功能鍵”，按下該鍵時(shí)屏幕上會(huì)顯示“刀庫(kù)自動(dòng)恢復(fù)正在進(jìn)行”的提示，同時(shí)按鈕上的指示燈亮，機(jī)械手、刀庫(kù)原位互鎖信號(hào)不起作用，刀庫(kù)恢復(fù)完成后，再按下該鍵，屏幕上的提示信息消失，互鎖信號(hào)有效。機(jī)床操作面板上一般有廠家預(yù)留備用按鈕，因此可以不增加按鈕，利用面板上一個(gè)備用按鈕做“刀庫(kù)自動(dòng)恢復(fù)功能鍵”。

5.3 標(biāo)記監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)

標(biāo)記監(jiān)控程序[8]就是在換刀過程中通過對(duì)標(biāo)記M輔助代碼的執(zhí)行情況從而判斷出換刀宏程序終止的位置的PMC程序，當(dāng)換刀中斷時(shí)，標(biāo)記監(jiān)控程序能夠指出程序中斷的位置，并發(fā)出報(bào)警信息，提示用戶執(zhí)行相應(yīng)的恢復(fù)子程序，標(biāo)記監(jiān)控程序的流程圖如圖2所示。

6 刀庫(kù)自動(dòng)恢復(fù)方法的應(yīng)用

假設(shè)程序停止在M77時(shí)，M90（標(biāo)記1）已被執(zhí)行而M91（標(biāo)記2）沒有被執(zhí)行。標(biāo)記監(jiān)控程序比較M90和M91的執(zhí)行情況，就可以知道程序停止在M77。此時(shí)發(fā)出報(bào)警信息，提示用戶執(zhí)行恢復(fù)子程序O9021來(lái)恢復(fù)刀庫(kù)。這時(shí)操作者先按下“刀庫(kù)自動(dòng)恢復(fù)功能鍵”，解除程序自動(dòng)運(yùn)行的機(jī)械手、刀套原位互鎖信號(hào)，然后調(diào)用并執(zhí)行恢復(fù)子程序O9021，機(jī)械手和刀套自動(dòng)回原位，刀庫(kù)表的數(shù)據(jù)也自動(dòng)更新了。自動(dòng)恢復(fù)完畢后，再按一次“刀庫(kù)自動(dòng)恢復(fù)功能鍵”使程序自動(dòng)運(yùn)行的互鎖信號(hào)生效。

7 結(jié)論

用在換刀宏程序加標(biāo)記和執(zhí)行恢復(fù)子程序來(lái)自動(dòng)恢復(fù)刀庫(kù)中斷故障的方法的優(yōu)點(diǎn)是編程簡(jiǎn)單，安全、可靠。因?yàn)椴粚?duì)原刀庫(kù)的PMC程序做修改，只是增加標(biāo)記監(jiān)控PMC程序和增加恢復(fù)子程序即可，所以就避免了修改原刀庫(kù)PLC程序的風(fēng)險(xiǎn)和降低了編程的難度。刀庫(kù)表能自動(dòng)更新保證了刀庫(kù)表數(shù)據(jù)的正確，避免手動(dòng)修改刀庫(kù)表數(shù)據(jù)出錯(cuò)引起的機(jī)床故障。該方法操作簡(jiǎn)單，操作人員根據(jù)提示能較快的恢復(fù)刀庫(kù)，同時(shí)也可以減少機(jī)床事故的發(fā)生，提高了機(jī)床的可靠性；對(duì)同行的技術(shù)人員也有一定的借鑒作用。

[1]FANUC0i數(shù)控系統(tǒng)PMC編程說(shuō)明書[Z].

[2]曹健.加工中心自動(dòng)換刀過程中斷恢復(fù)功能的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2009(09)：125-125.

[3]牛軍燕.顧寄南.基于PLC的自動(dòng)換刀系統(tǒng)研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2010(06)：35-36.

[4]FANUC0i數(shù)控系統(tǒng)加工中心編程說(shuō)明書[Z].

[5]周炳文.實(shí)用數(shù)控機(jī)床故障診斷及維修技術(shù)500例[M].中國(guó)知識(shí)出版社,2006,8.

[6]FANUC系統(tǒng)刀庫(kù)典型PMC程序[Z].

[7]劉本鎖.數(shù)控機(jī)床故障分析與維修實(shí)例[M].冶金工業(yè)出版社,2008,6.

[8]朱自勤.數(shù)控機(jī)床電氣控制技術(shù)[M].中國(guó)林業(yè)出版社,2006,1.