葛玉華，韓 軍，馮虎田，董維新，劉亞峰

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械電子工程系，南京 210094;2.陜西秦川機(jī)床工具集團(tuán)有限公司秦川發(fā)展研究院，陜西 寶雞 710300)

0 引言

刀庫(kù)及機(jī)械手是數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵功能部件之一，研究刀庫(kù)及機(jī)械手的可靠性是提高國(guó)產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的重點(diǎn)任務(wù)之一。電氣控制是刀庫(kù)機(jī)械手換刀系統(tǒng)重要組成部分，在以往研究中發(fā)現(xiàn)，電氣控制故障一般在系統(tǒng)總故障的1/4 以上［1］。影響電氣控制可靠性的因素有CNC 系統(tǒng)、檢測(cè)元件、電氣控制線路及控制程序等，其中控制程序反映了刀庫(kù)機(jī)械手換刀的綜合邏輯要求，是可靠性影響因素很重要的方面之一。本文針對(duì)臺(tái)灣吉輔某立臥兩用鏈?zhǔn)降稁?kù)，結(jié)合FANUC-0iD 內(nèi)置PMC 分析了如何設(shè)計(jì)高可靠性的換刀控制程序，提出具體的可靠性保障措施，該鏈?zhǔn)降稁?kù)機(jī)械手換刀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

1 鏈?zhǔn)降稁?kù)機(jī)械手工作原理及換刀過程介紹

圖1 所示鏈?zhǔn)降稁?kù)結(jié)構(gòu)為加長(zhǎng)型鏈條，容量是60，刀具交換裝置是常見的雙臂機(jī)械手，采用抱手結(jié)構(gòu)，兩邊抓刀提高了效率。刀庫(kù)的轉(zhuǎn)動(dòng)以及機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)都采用油壓驅(qū)動(dòng)，刀庫(kù)通過油壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)粗略定位至目標(biāo)刀具前一位，再通過定位油缸、慢速油缸精確定位使所換刀具正確位于換刀位置，機(jī)械手通過平移油缸伸縮驅(qū)動(dòng)平移機(jī)構(gòu)沿X軸移動(dòng)實(shí)現(xiàn)主軸與刀庫(kù)之間刀具的運(yùn)送，通過拔刀油缸伸縮沿Z 軸移動(dòng)實(shí)現(xiàn)拔刀、裝刀，另外通過翻轉(zhuǎn)油缸伸縮驅(qū)動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)繞X 軸旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)立、臥式加工中心轉(zhuǎn)換以及通過換刀油缸伸縮驅(qū)動(dòng)旋刀定位機(jī)構(gòu)繞Z 軸旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)換刀?？刂圃ǜ鱾€(gè)油缸伸出開關(guān)、縮回開關(guān)、刀庫(kù)原點(diǎn)開關(guān)、刀庫(kù)數(shù)刀開關(guān)以及各個(gè)油缸電磁閥。其換刀過程有手動(dòng)和自動(dòng)之分，前者主要用于刀庫(kù)的安裝、調(diào)試、維修等方面，包括手動(dòng)刀庫(kù)回零、刀庫(kù)步進(jìn)、手動(dòng)換刀等;后者主要是在數(shù)控系統(tǒng)換刀指令的控制下完成一整套動(dòng)作［2］。臥式加工中心鏈?zhǔn)降稁?kù)自動(dòng)換刀過程分為刀庫(kù)選刀(T 指令)和刀具交換(M06 指令)兩部分，動(dòng)作流程如圖2 所示。

圖1 鏈?zhǔn)降稁?kù)三維圖

圖2 鏈?zhǔn)降稁?kù)機(jī)械手自動(dòng)換刀動(dòng)作流程圖

2 影響鏈?zhǔn)降稁?kù)機(jī)械手換刀控制程序可靠性的因素

引言指出，CNC 系統(tǒng)是電氣控制可靠性的重要因素，也是保障換刀控制程序可靠性的前提，因此采用高可靠性、高性價(jià)比的數(shù)控系統(tǒng)(CNC)——FANUC-0iD，它能夠在嚴(yán)酷的環(huán)境下持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)并保持相當(dāng)高的性能［4］。PMC 是FANUC 公司研制專門用于機(jī)床控制的可編程序控制器，它能夠?qū)C(jī)床操作按鈕、各類控制開關(guān)信號(hào)、NC 內(nèi)部信號(hào)等通過邏輯處理轉(zhuǎn)換成輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)電磁閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制順序邏輯及機(jī)床坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)，并適時(shí)地產(chǎn)生相關(guān)報(bào)警。FANUC-0iD 系統(tǒng)采用內(nèi)置式PMC，兩者共用CPU，PMC 的I/O 單元以I/O 接口模塊形式安裝在FANUC 系統(tǒng)上，通過編制PMC 程序能夠?qū)⑼ㄓ玫腇ANUC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)為滿足該鏈?zhǔn)降稁?kù)特定自動(dòng)換刀控制要求的控制系統(tǒng)［4］。

除此之外，影響PMC 換刀控制程序可靠性的因素歸結(jié)起來是靈活多變的I/O 信號(hào)和程序設(shè)計(jì)的方法:I/O 信號(hào)是PMC 梯形圖程序與外圍元器件的接口，例如磁簧開關(guān)、行程開關(guān)、油壓電磁閥等，當(dāng)出現(xiàn)機(jī)械觸點(diǎn)抖動(dòng)、傳輸信號(hào)線短路或斷路、油壓電磁閥未按設(shè)計(jì)時(shí)序及時(shí)開合等故障時(shí)，機(jī)械手刀庫(kù)的動(dòng)作就會(huì)紊亂，換刀就無法正常實(shí)現(xiàn)［5］，從中也可以看出電氣控制可靠性與換刀控制程序可靠性是相依相存，不可分離的，在進(jìn)行鏈?zhǔn)降稁?kù)及機(jī)械手電氣控制的硬件設(shè)計(jì)時(shí)，選擇高可靠性的外圍元器件，合理設(shè)計(jì)接口電路、安裝時(shí)考慮抗干擾措施，輸入輸出線路加入信號(hào)處理模塊、完善故障報(bào)警系統(tǒng)等，這些都可以一定程度上保證I/O 信號(hào)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性;另外設(shè)計(jì)換刀控制程序時(shí)，在滿足控制邏輯的前提下，采取巧妙合理的編程方法可以大大提高換刀程序的可靠性。

3 鏈?zhǔn)降稁?kù)機(jī)械手自動(dòng)換刀控制程序設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)可靠性高的換刀控制程序需要滿足換刀前后刀具處于正確的位置、操作安全、換刀時(shí)間短，刀具管理方便等要求，圖3 為鏈?zhǔn)降稁?kù)及機(jī)械手自動(dòng)換刀控制程序流程圖。

在FANUC 系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后，換刀分兩步進(jìn)行:計(jì)算機(jī)隨機(jī)刀庫(kù)選刀即搜索T 指令目標(biāo)刀具和機(jī)械手實(shí)現(xiàn)刀具交換。PMC 控制程序周期分成高速掃描循環(huán)級(jí)LEVEL1 和普通掃描循環(huán)級(jí)LEVEL2，換刀控制主程序在LEVEL2 中，充分利用PMC豐富的指令系統(tǒng)可以大大簡(jiǎn)化選刀過程，另外采用PMC 結(jié)合宏程序控制刀具交換的過程，將機(jī)械手的動(dòng)作以輔助功能定義然后在宏程序里組合，可以降低信號(hào)干擾、方便故障查找。

3.1 計(jì)算機(jī)隨機(jī)刀庫(kù)選刀控制

利用FANUC 可編程控制器PMC 的存儲(chǔ)器功能實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)記憶隨機(jī)選刀即軟件選刀，無需編碼環(huán)、識(shí)刀器，刀具可以任意取出、任意送回，PMC 能夠始終記憶著刀具的蹤跡［6］。首先需要在PMC 存儲(chǔ)器中建立一個(gè)模擬刀庫(kù)數(shù)據(jù)表和兩個(gè)計(jì)數(shù)器:模擬刀庫(kù)數(shù)據(jù)表負(fù)責(zé)記錄各刀套中刀具號(hào)，長(zhǎng)度為刀庫(kù)容量加1，數(shù)據(jù)表的表序號(hào)為刀套號(hào)，表序號(hào)0表示主軸刀套號(hào)，數(shù)據(jù)內(nèi)容即刀套對(duì)應(yīng)的刀具號(hào)，如表1 所示多次換刀后PMC 中的模擬刀庫(kù)數(shù)據(jù)表，1號(hào)刀具在主軸上;兩個(gè)計(jì)數(shù)器分別記錄刀具容量及當(dāng)前刀套號(hào)。

表1 模擬刀庫(kù)數(shù)據(jù)表

軟件選刀的關(guān)鍵步驟是隨機(jī)刀庫(kù)尋刀、計(jì)算旋轉(zhuǎn)方向、記錄當(dāng)前刀套和一致性判斷，體現(xiàn)在程序?qū)崿F(xiàn)上分別用到的功能指令有:數(shù)據(jù)檢索指令DSCHB、回轉(zhuǎn)控制指令ROTB、環(huán)形計(jì)數(shù)器指令CTRC、數(shù)據(jù)比較指令COIN。PMC 接收到尋刀指令Txx 后，經(jīng)過輔助功能譯碼得到TF 刀具功能選通信號(hào)，TF 信號(hào)高電平時(shí)數(shù)據(jù)檢索指令起作用，在模擬刀庫(kù)數(shù)據(jù)表中搜索目標(biāo)刀具在刀庫(kù)中的位置，得到目標(biāo)刀套號(hào);鏈?zhǔn)降稁?kù)雖是鏈條傳動(dòng)，依然可以看作刀位為60 的圓形刀架，因此采用回轉(zhuǎn)控制指令計(jì)算得出目標(biāo)刀套與當(dāng)前刀套之間的最近移動(dòng)步數(shù)，對(duì)于大容量刀庫(kù)來說，就近選刀是必要的選刀模式;刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)過程中需實(shí)時(shí)保證模擬刀庫(kù)數(shù)據(jù)表與實(shí)際刀庫(kù)的一致性，可以采用環(huán)形計(jì)數(shù)器指令記錄當(dāng)前刀套刀具的變化，正轉(zhuǎn)加計(jì)數(shù)、反轉(zhuǎn)減計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)信號(hào)為數(shù)刀近接開關(guān)檢測(cè)信號(hào)，計(jì)數(shù)器預(yù)置值是刀庫(kù)的容量60，達(dá)到60 后復(fù)位重新計(jì)數(shù)，因此C0002能始終指示刀庫(kù)的現(xiàn)在位置;另外采用數(shù)據(jù)比較指令判斷目標(biāo)刀套是否轉(zhuǎn)到當(dāng)前位置。

3.2 PMC 結(jié)合宏程序?qū)崿F(xiàn)刀具交換控制

宏程序是FANUC 系統(tǒng)中可以同時(shí)使用變量、算術(shù)邏輯指令、CNC 指令實(shí)現(xiàn)類似于高級(jí)語言的編程功能，使用宏程序編程可以減少計(jì)算工作量，提高編程效率，簡(jiǎn)化程序。在利用PMC 實(shí)現(xiàn)換刀動(dòng)作時(shí)，結(jié)合宏程序、數(shù)控系統(tǒng)變量及參數(shù)設(shè)置進(jìn)行，利用輔助功能指令譯碼、執(zhí)行，不但增加了程序的可讀性，還降低了PMC 梯形圖編制的復(fù)雜度［7］。

(1)要編制宏程序?qū)崿F(xiàn)換刀功能，需設(shè)置數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)#6071 =6，當(dāng)程序運(yùn)行至換刀指令M06 時(shí)，能自動(dòng)調(diào)用宏程序O9001。

(2)用戶宏程序輸入信號(hào)變量#1000 ～#1002(G54.0 ～G54.2)，作為宏程序與PMC 的接口，由梯形圖程序中邏輯處理決定。設(shè)計(jì)自動(dòng)換刀刀套與目標(biāo)刀套一致時(shí)，G54.0 =1;主軸上無刀時(shí)，G54.1 =1;選刀指令操作數(shù)為0，即T00 時(shí)，G54.2 =1。

圖3 鏈?zhǔn)降稁?kù)機(jī)械手自動(dòng)換刀控制程序流程圖

(3)宏程序使用增量編程，數(shù)控程序則不一定，在調(diào)用宏程序時(shí)必須將數(shù)控程序的系統(tǒng)模態(tài)信息保存起來，執(zhí)行完宏程序后再恢復(fù)。相關(guān)系統(tǒng)模態(tài)信息變量有#4003、#4005 和#4006，分別表示絕對(duì)值/增量值指令方式、每分/轉(zhuǎn)進(jìn)給方式和英/米制輸入。

(4)為了方便調(diào)試檢查，在宏程序中增加報(bào)警信息，用到變量#3000。例如#3000 = 1(TOOL NOT FUOND)，在換刀過程中若是輸入的尋刀指令操作數(shù)大于刀具容量，F(xiàn)AUNC 系統(tǒng)屏幕上就會(huì)顯示“3001 TOOL NOT FOUND”。

(5)換刀宏程序?qū)⒌毒呓粨Q的每一步用輔助功能代碼M 定義，按照順序編程，為防止執(zhí)行過程中一個(gè)動(dòng)作未完成另一個(gè)動(dòng)作已經(jīng)開始，保證可靠性，每個(gè)動(dòng)作之間暫停0.5 秒。

(6)在PMC 程序中對(duì)換刀宏程序的系統(tǒng)變量、M代碼等信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)刀具交換任務(wù)。最后在PMC 程序中采用變址傳送指令XMOVB 將主軸刀號(hào)與刀庫(kù)當(dāng)前刀號(hào)對(duì)調(diào)位置，實(shí)現(xiàn)刀具表更新。

4 換刀控制程序可靠性保障措施

上述換刀控制程序設(shè)計(jì)方法基本實(shí)現(xiàn)了換刀功能，但要保障程序的可靠性還得從細(xì)節(jié)方面去考慮，相關(guān)措施有:

(1)縮短PMC 程序執(zhí)行周期及信號(hào)處理時(shí)間，提高系統(tǒng)靈敏度

軟件避錯(cuò)設(shè)計(jì)理論是軟件可靠性設(shè)計(jì)的首要方法，其基本原則是控制和減少程序的復(fù)雜性，在滿足換刀要求前提下盡可能設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，縮短程序處理時(shí)間。例如:PMC 程序分時(shí)線性管理方式的特點(diǎn)要求高速掃描循環(huán)級(jí)LEVEL1 應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)緊湊來縮短系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，對(duì)于該換刀控制程序只需在LEVEL1中編寫與安全有關(guān)的急停、互鎖等模塊;程序編制完成后將梯形圖寫成邏輯代數(shù)表達(dá)式，利用合并同類項(xiàng)等方法化簡(jiǎn)，例如刀庫(kù)手動(dòng)控制，手動(dòng)刀庫(kù)步進(jìn)，手動(dòng)機(jī)械手移動(dòng)等動(dòng)作都需要在FANUC 系統(tǒng)JOG手動(dòng)工作方式下按下刀庫(kù)手動(dòng)按鈕才能執(zhí)行，對(duì)于類似具有同樣條件的支路將這些條件存入中間寄存器，可以減少不必要的掃描，縮短信號(hào)處理時(shí)間;機(jī)械手進(jìn)行刀具傳送動(dòng)作多、條件復(fù)雜，但只存在兩個(gè)狀態(tài):從刀庫(kù)到主軸以及從主軸到刀庫(kù)，兩者有很多動(dòng)作是重復(fù)的，但是條件不同，如果按照動(dòng)作編程，每個(gè)動(dòng)作有兩個(gè)狀態(tài)的條件，PMC 兩者都需進(jìn)行掃描才能確定哪個(gè)，這里的解決方法是加入分支結(jié)構(gòu)(JMP 指令實(shí)現(xiàn))簡(jiǎn)化判別過程，將兩個(gè)狀態(tài)分開編制，執(zhí)行一個(gè)狀態(tài)時(shí)，另一個(gè)直接跳過從而縮短了PMC 執(zhí)行周期。

(2)輸入輸出信號(hào)處理

靈活多變的I/O 信號(hào)是多發(fā)故障源，這里采用故障隔離技術(shù)，程序中加入處理模塊提高信號(hào)穩(wěn)定性。例如:輸入信號(hào)隨機(jī)性是換刀控制程序的一個(gè)不穩(wěn)定性因素，一般情況下利用中間寄存器過渡，不但可以起到控制程序執(zhí)行順序的作用，還可以方便編程;對(duì)計(jì)數(shù)輸入信號(hào)，例如刀庫(kù)數(shù)刀訊號(hào)由近接開關(guān)產(chǎn)生，受刀庫(kù)轉(zhuǎn)動(dòng)速度影響，可能寬度不定，所以利用寄存器處理產(chǎn)生固定寬度的單脈沖信號(hào);對(duì)主軸松刀、緊刀信號(hào)等脈沖信號(hào)，為了保證可靠性，利用定時(shí)器將信號(hào)展寬，通過寄存器轉(zhuǎn)移到下一步動(dòng)作;輸出信號(hào)直接影響執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，對(duì)于不相容信號(hào)，例如刀庫(kù)正反轉(zhuǎn)信號(hào)，必須采用互鎖保護(hù)［8］。

(3)報(bào)警、提示信息功能的制作

軟件查錯(cuò)設(shè)計(jì)是指在設(shè)計(jì)中賦予程序某些特殊功能，使程序在運(yùn)行中自動(dòng)查找錯(cuò)誤，換刀控制程序執(zhí)行過程中如若遇到故障，如選刀指令出錯(cuò)、機(jī)械手信號(hào)未到位、機(jī)械手動(dòng)作超時(shí)等，報(bào)警、提示信息就能幫助我們快速查找原因，提高系統(tǒng)可靠性;系統(tǒng)定時(shí)器串接到指示燈上，R9091.6 以1s 間隔閃爍、R9091.5 以200ms 間隔閃爍分別可以在程序中表示不同的報(bào)警含義;利用信息選擇顯示地址A 進(jìn)行提示信息的顯示;另外在宏程序中利用變量也能實(shí)現(xiàn)報(bào)警信息的制作;報(bào)警、提示信息的存在會(huì)阻止MDI 程序的執(zhí)行，在程序中用K 參數(shù)屏蔽，方便調(diào)試及故障處理后的繼續(xù)進(jìn)行。

PMC 換刀控制程序是介于FANUC-0iD 系統(tǒng)與鏈?zhǔn)降稁?kù)及機(jī)械手之間的中間環(huán)節(jié)，要保障PMC 程序能正確可靠地將兩者聯(lián)系起來，必須在掌握I/O信號(hào)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，巧妙設(shè)計(jì)程序邏輯，細(xì)心編制梯形圖，并通過連接調(diào)試不斷地改進(jìn)換刀程序的可靠性。

5 結(jié)束語

本文對(duì)鏈?zhǔn)降稁?kù)機(jī)械手換刀過程作了詳盡介紹，并簡(jiǎn)要分析了換刀控制實(shí)現(xiàn)程序可靠性的影響因素，得出程序設(shè)計(jì)方法是很重要的方面之一，在此基礎(chǔ)上結(jié)合FANUC 數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置式PMC，從刀庫(kù)選刀和刀具交換兩方面研究了如何設(shè)計(jì)可靠的鏈?zhǔn)降稁?kù)換刀控制程序，包括刀庫(kù)選刀的關(guān)鍵指令以及PMC 結(jié)合宏程序如何實(shí)現(xiàn)刀具交換控制，并進(jìn)一步從信號(hào)處理、報(bào)警等細(xì)節(jié)方面考慮相關(guān)可靠性保障措施。設(shè)計(jì)的PMC 程序在我院鏈?zhǔn)降稁?kù)及機(jī)械手可靠性試驗(yàn)臺(tái)的控制系統(tǒng)中調(diào)試通過，并取得了較好的運(yùn)行效果，對(duì)類似換刀軟件設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義。

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