雷楠南

（三門峽職業(yè)技術學院 機電工程學院， 河南 三門峽 472000）

數(shù)控加工中心的自動換刀通常有兩種方式：一種是無機械手換刀方式，另一種是機械手換刀方式。無機械手換刀方式，換刀過程一般是通過刀庫和主軸的相對運動實現(xiàn)，其自動換刀裝置結構簡單，控制容易。由于采用無機械手換刀方式時，需要經(jīng)過主軸卸刀、刀庫旋轉選刀、主軸裝刀等步驟，所以換刀效率低，多用于對換刀速度要求不高的普通加工中心。[1]相比較而言，機械手換刀方式，可通過機械手運動實現(xiàn)主軸和刀庫上的刀具交換，其優(yōu)點是換刀效率高，缺點是換刀裝置結構復雜。文中以采用無機械手換刀方式的VMC850加工中心為例，介紹自動換刀過程。該加工中心為立式加工中心，刀庫是典型的斗笠式刀庫且為Z軸移動換刀，自動換刀過程由如下幾步完成：[2]Z軸回參考點且主軸定向準停、刀庫前移抓刀、刀具松開、Z軸上移卸刀、刀庫回轉選刀、Z軸下移裝刀、刀具夾緊、刀庫后移。從換刀過程來看，自動換刀時，刀庫需要完成前、后兩個位置之間的移動及旋轉；Z軸則需完成上、下移動動作。

一、斗笠式刀庫換刀控制過程

在加工中心自動換刀時，通常編制換刀宏程序或特定的換刀子程序來實現(xiàn)刀庫和Z軸的聯(lián)合運動，從而可簡化PLC程序設計。以配置西門子802D系統(tǒng)的VMC850加工中心為例，采用Z軸移動換刀方式的斗笠式刀庫，換刀動作可以分為M代碼控制的獨立運動，如M06：換刀起動；M82：刀庫前移；M83：刀庫后移；M84：主軸刀具夾緊、吹氣關閉；M85：主軸刀具松開、吹氣；M86：刀庫回轉換刀；M80：自動換刀結束。換刀程序一般以子程序形式編程，并且可通過程序名在CNC加工程序中利用指令直接調(diào)用，典型的換刀子程序如下：[3]

%

L06//換刀子程序號

G28 Z0 M19；//換刀前，Z軸已回參考點且主軸定向準停

M06；//自動換刀起動

STOPRE；//停止譯碼，等待M06完成

/N1 GOTOF ATC_END；//選擇跳段有效時跳轉至ATC_END結束換刀

M82；//刀庫前移

G04 F0.5；//刀庫前移延時0.5s

M85；//主軸刀具松開、吹氣

G04 F0.5；//刀庫松開延時0.5s

N2 G91 G01 Z200.0 F2000；//Z軸上移至卸刀點Z1

M86；//刀庫回轉換刀

N3 G91 G01 Z-200.0 F2000；//Z軸下移至換刀起始點

M84；//主軸刀具夾緊、吹氣關閉

G04 F0.5；//刀具夾緊延時0.5s

M83；//刀庫后移

N10 ATC_END：M80；//自動換刀結束

M02；//子程序返回

在編制好換刀子程序后，還需進一步分解換刀控制過程中的具體動作，最終編制出PLC梯形圖程序。當CNC數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行換刀指令時，首先應判斷指令刀具是否在主軸上，若在則無需換刀；若有則應執(zhí)行換刀子程序，控制刀庫進行移動、轉動，將主軸上刀具放回刀庫。接著，再執(zhí)行換刀子程序，控制刀庫旋轉至指令刀具位置，移動Z軸進行裝刀，裝刀完成后，刀庫后移至起始位置。斗笠式刀庫換刀PLC控制流程如圖1所示。[1]

圖1 斗笠式刀庫換刀PLC控制流程

二、斗笠式刀庫換刀控制PLC程序編制

斗笠式刀庫通過編程T代碼指令實現(xiàn)自動換刀時，首先應編制如圖2所示的PLC程序進行T代碼判別。在西門子802D系統(tǒng)上，當CNC讀入編程T代碼指令時，其譯碼數(shù)值存儲于變量VD25002000。同時，來自CNC的T代碼修改信號TF選通，即變量V25000001.4為“1”，利用該觸點接通的上升沿信號可將編程指令中的32位二進制T代碼刀號讀入并輸出到LD16。若編程T代碼數(shù)值大于刀庫的刀位數(shù)，即LD16大于LD0，則表示編程指令中指定的刀號錯誤，通過取反指令使“編程刀具號大于刀庫最大刀位數(shù)”信號L13.1為“1”；接著，要進一步判斷LD16中的T代碼數(shù)值是否為“0”，若為“0”則“編程刀號為 0”信號 L13.2 為“1”；當L13.1或L13.2為“1”時，均可通過報警程序提示用戶編程T代碼出現(xiàn)錯誤。如果LD16中的T代碼數(shù)值與LD4中的實際刀位T代碼數(shù)值相等，則M20.0為“1”，表示編程刀位到達。由此可見，只有當LD16中的T代碼數(shù)值小于刀庫的刀位數(shù)LD0、T代碼數(shù)值不為“0”且與實際到位不一致時，刀庫才具備換刀條件。

圖2 T代碼處理PLC梯形圖程序

斗笠式刀庫換刀過程由換刀子程序和PLC程序共同實現(xiàn)。[3]圖3所示為換刀起動控制PLC程序。CNC系統(tǒng)執(zhí)行換刀子程序L06時，首先確保Z軸回參考點、主軸實現(xiàn)定向準停等以便使“換刀起動條件具備”信號L12.0為“1”；其次，換刀T代碼編程正確并經(jīng)過刀庫捷徑轉向子程序處理，可實現(xiàn)刀庫旋轉并使M20.5信號為“1”。此時，執(zhí)行M06指令則V25001000.6及MF信號V25000000.0為“1”，通過置位指令可使ATC起動信號M20.7和程序跳段信號V32000002.0為“1”，換刀子程序直接跳過程序段“/N1 GOTOF ATC_END；”，執(zhí)行后續(xù)的自動換刀程序。如果編程T代碼與主軸當前刀號一致或T代碼出現(xiàn)錯誤，則M20.5信號為“0”，通過復位指令使程序跳段信號V32000002.0為“0”，CNC系統(tǒng)將執(zhí)行換刀程序段“/N1 GOTOF ATC_END；”跳轉至程序段“N10ATC_END：M80；”，執(zhí)行M80指令結束自動換刀。當不具備換刀起動條件時，L12.0為“0”則報警輸出變量L13.3為“1”。

圖3 換刀起動控制PLC梯形圖程序

加工中心斗笠式刀庫換刀時，若主軸上有刀且主軸上刀號與編程指令中的T代碼不一致時，則必須先還刀入刀庫。還刀入庫又稱卸刀控制，其PLC控制程序如圖4所示。當換刀起動信號M20.7為“1”，如刀庫處于后位位置則刀庫后位檢測信號L12.4為“1”；Z軸下移到換刀起始點，即Z軸移動到位后，檢測信號L12.6為“1”；卸刀前，主軸刀具為夾緊狀態(tài)，故主軸刀具夾緊檢測信號L12.2為“1”；此時，CNC系統(tǒng)執(zhí)行換刀子程序中的刀庫前移指令M82，則V25001010.2及MF信號V25000000.0為“1”，可分別通過置位指令使刀庫前移信號M21.0為“1”，通過復位指令使刀庫向后信號M22.0為“0”。同時，通過置位指令使進給使能禁止信號V32000006.0和讀入使能禁止信號V32000006.1為“1”，使CNC進入輔助功能等待狀態(tài)。在刀庫前移位置到達后，刀庫前位檢測信號L12.5為“1”，通過復位指令使進給使能禁止信號V32000006.0和讀入使能禁止信號V32000006.1為“0”，CNC繼續(xù)執(zhí)行換刀子程序中的程序段“G04 F0.5；”，保證刀庫前移延時0.5s。接著，執(zhí)行刀具松開指令M85，則V25001010.5及MF信號V25000000.0為“1”，可通過置位指令使刀具松開信號M21.1為“1”；同時，再次利用置位指令使進給使能禁止信號V32000006.0和讀入使能禁止信號V32000006.1為“1”，使CNC進入輔助功能等待狀態(tài)。當?shù)毒咚砷_到位檢測信號L12.3為“1”時，通過復位指令使進給使能禁止信號V32000006.0和讀入使能禁止信號V32000006.1為“0”，CNC將繼續(xù)執(zhí)行換刀子程序中的程序段“G04 F0.5；”，保證刀具松開延時0.5s。在主軸刀具松開后，執(zhí)行換刀子程序段“N2 G91 G01 Z200.0 F2000；”，使 Z 軸上移回到卸刀點。

圖4 ATC卸刀控制PLC梯形圖程序

在數(shù)控機床Z軸上移回到換刀點后，換刀點位置檢測信號L12.7為“1”，主軸完成卸刀。下一步，需要將編程T代碼刀具選出來，選刀控制即通過刀庫回轉指令使刀具回轉至裝刀位置，PLC程序如圖5所示。此時，由于刀庫仍處于前位，故刀庫前位檢測信號L12.5也為“1”。當CNC執(zhí)行回轉選刀指令M86時，則V25001010.6及MF信號V25000000.0為“1”；PLC程序將根據(jù)刀庫捷徑轉向選擇信號M20.3/M20.4，輸出刀庫正反轉命令信號M21.3/M21.4，同時置位進給使能禁止信號V32000006.0和讀入使能禁止信號V32000006.1為“1”，使CNC進入輔助功能等待狀態(tài)。當?shù)稁旎剞D到達目標位置，即當前實際刀位變量LD4與T代碼指令刀號LD16相等且刀庫回轉到位信號L13.0為“1”，可同時復位轉向選擇信號M20.3/M20.4及刀庫正反轉命令信號M21.3/M21.4，停止刀庫旋轉。同時，通過置位指令置位刀庫回轉完成信號M20.5為“1”；通過復位指令復位進給使能禁止信號V32000006.0和讀入使能禁止信號V32000006.1為“0”，使CNC繼續(xù)執(zhí)行換刀子程序。

圖5 刀庫回轉選刀控制PLC梯形圖程序

圖6所示PLC程序為斗笠式刀庫裝刀控制程序。在執(zhí)行完回轉選刀程序后，刀庫上的待安裝刀具位于Z軸正下方的裝刀位置，在此位置時刀庫的前位到達、檢測信號L12.5為“1”。同時，CNC數(shù)控裝置執(zhí)行“N3 G91 G01 Z-200.0 F2000”換刀子程序段，使Z軸下移到換刀起始點，當Z軸移動到位后，檢測信號L12.6為“1”，主軸扣刀完成。接著，CNC數(shù)控裝置執(zhí)行刀具夾緊指令“M84”，則V25000000.0 信號、V25001010.4 信號為“1”，通過置位指令使刀具夾緊信號M21.7為“1”，并復位刀具松開信號M21.1為“0”。同時，利用置位指令使進給禁止使能信號V32000006.0和讀入使能禁止信號V32000006.1為“1”，CNC進入輔助功能執(zhí)行等待狀態(tài)。當?shù)毒邐A緊到位、檢測信號L12.2為“1”，再利用復位指令復位進給禁止使能信號V32000006.0和讀入使能禁止信號V32000006.1為“0”，使CNC繼續(xù)執(zhí)行換刀子程序段“G04 F0.5”，實現(xiàn)0.5s延時。延時時間到后，執(zhí)行換刀子程序段中的刀庫后移指令“M83”，則V25000000.0信號、V25001010.3信號為“1”，通過置位指令使刀庫向后信號M22.0為“1”，并且復位刀庫向前信號M21.0為“0”。此時，刀庫向后移動至刀庫的后位位置，同時，再次利用置位指令使進給禁止使能信號V32000006.0和讀入使能禁止信號V32000006.1為“1”，CNC進入輔助功能執(zhí)行等待狀態(tài)。需要注意的是換刀過程中ATC換刀起動信號M20.7始終為“1”。

圖6 主軸裝刀控制PLC梯形圖程序

圖7所示PLC程序為斗笠式刀庫換刀結束處理程序。在執(zhí)行裝刀控制程序過程中，刀庫向后信號M22.0為“1”、又因為換刀起動信號M20.7始終為“1”，所以當?shù)稁旌笠频竭_后位、檢測信號L12.4為“1”時，利用復位指令復位進給禁止使能信號V32000006.0和讀入使能禁止信號V32000006.1為“0”，使CNC繼續(xù)執(zhí)行換刀子程序段“N10 ATC_END：M80；”， 則 V25000000.0 信 號 、V25001010.0信號為“1”，通過復位指令使刀庫向后信號M22.0、ATC換刀起動信號M20.7、回轉信號M21.5、T代碼處理完成信號M20.5及M20.2、程序跳段信號V32000002.0為“0”，結束換刀過程。

圖7 換刀結束信號處理PLC梯形圖程序

三、小結

文中以配置西門子802D系統(tǒng)的數(shù)控加工中心為例，重點介紹了斗笠式刀庫的換刀過程及換刀程序的編制。針對Z軸移動換刀方式，介紹了刀庫的機械動作控制與主軸相關動作控制。由于加工中心換刀控制程序復雜，且目前關于西門子數(shù)控系統(tǒng)PLC編程技術資料相對較少，通過完整的斗笠式刀庫換刀程序編制及說明，可為從事數(shù)控機床裝調(diào)、維修的技術人員提供參考。