數(shù)控銑床自動(dòng)換刀控制程序設(shè)計(jì)

數(shù)控銃床自動(dòng)換刀控制程序設(shè)計(jì)

目錄

1結(jié)論.....................................1

2數(shù)控銃床自動(dòng)換刀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)................................4

2.1數(shù)控系統(tǒng)概述..................................................4

2.1.1數(shù)控系統(tǒng)特點(diǎn)............................................4

2.1.2控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介............................................4

2.2數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng).........................................4

2.3鏈?zhǔn)降稁?kù)概述..................................................6

2.3.1刀庫(kù)定義.................................................6

2.3.2鏈?zhǔn)降稁?kù)................................................6

2.3.3鏈?zhǔn)降稁?kù)換到動(dòng)作流程....................................7

2.3.4刀庫(kù)控制系統(tǒng)工作原理...................................10

2.4本章小結(jié).....................................................12

3數(shù)控銃床自動(dòng)換刀控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)................................“??13

3.1總體流程設(shè)計(jì).................................................13

3.1.1刀具預(yù)選流程設(shè)計(jì).......................................13

3.1.2換刀流程設(shè)計(jì)...........................................14

3.2刀具預(yù)選各功能模塊設(shè)計(jì).......................................16

321刀庫(kù)換刀的反饋信號(hào)......................................16

3.2.2刀庫(kù)容量的控制.........................................16

3.2.3刀庫(kù)計(jì)數(shù)及定位信號(hào)處理.................................17

3.2.4T碼到達(dá)準(zhǔn)備...........................................18

3.2.5刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)控制............................................19

326刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)方向判斷........................................20

3.3刀具交換功能模塊設(shè)計(jì).........................................21

3.3.1搬運(yùn)機(jī)械手插拔到和轉(zhuǎn)位控制.............................21

3.3.2交換刀具機(jī)械手控制.....................................22

3.3.3主車由松刀...............................................23

3.3.4刀具交換...............................................24

3.3.5主車由緊刀...............................................24

3.3.6還刀控制...............................................24

3.4本章小結(jié)......................................................24

結(jié)論.............................................................25

參考文獻(xiàn)................................26

1緒論

1.1研究背景及意義

隨著我國(guó)工業(yè)，模具制造業(yè)、機(jī)械加工業(yè)的巨大發(fā)展，使得數(shù)控機(jī)床的哽用

越來(lái)越普遍，而加工中心更是以其高自動(dòng)化程度得到廣泛應(yīng)用。而臥式加工中心

以結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自動(dòng)化程度高，換刀復(fù)雜，控制軸數(shù)多，全閉環(huán)控制等在目前中國(guó)

市場(chǎng)上還有非常大的提高空間。

臥式加工中心的可靠性主要取決于機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的可靠性。自動(dòng)換刀

機(jī)構(gòu)是影響加工中心可靠性的非常重要的功能部件。自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)由自動(dòng)換刀裝

置和可以儲(chǔ)存多把刀具的刀庫(kù)組成，由PMC程序進(jìn)行控制，可以自動(dòng)完成各種

不同的加工需求，如鐵削、鉆孔、膛孔、攻絲等?？晒?jié)省大量空間和時(shí)間，工作

效率大幅度提高，能滿足高效快捷的現(xiàn)代生產(chǎn)環(huán)境，是現(xiàn)代智能型加工企業(yè)必然

的選擇。因而，它在數(shù)控加工中能否快速、準(zhǔn)確地?fù)Q刀也是影響加工中心發(fā)揮高

效、高可靠性的重要因素。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯六，刀庫(kù)部分的故障率占到了機(jī)

床整機(jī)故障率的25%。

臥式加工中心的刀庫(kù)容量一般都在40把以上，刀具與主軸上的刀具交換往

往是通過(guò)中間刀位進(jìn)行交換，那么交換機(jī)構(gòu)的可靠性直接影響ATC的工作效率。

即影響到數(shù)控機(jī)床本身的效率、可靠性和可維護(hù)性。針對(duì)這個(gè)要求，本設(shè)計(jì)的主

要目的就是臥式加工中心鏈?zhǔn)降稁?kù)的順序換刀迸行PMC控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì),

使換刀動(dòng)作過(guò)程清晰明確；數(shù)控加工過(guò)程中換刀程序使用簡(jiǎn)單方便；系統(tǒng)工作穩(wěn)

定性好，可靠性高；維護(hù)過(guò)程簡(jiǎn)單、直觀、方便。

另外，此課題的研究也是基于本人對(duì)某企業(yè)的臥式加工中心的研發(fā)與技術(shù)改

造課題的研究。主要解決企業(yè)設(shè)備的更新?lián)Q代和設(shè)備系統(tǒng)控制的同一性、可靠性

的要求。

1.2自動(dòng)換刀裝置的研究現(xiàn)狀

1952年，麻省理工學(xué)院在一臺(tái)立式銃床上，裝上了一套試驗(yàn)性的數(shù)控系統(tǒng)，

成功地實(shí)現(xiàn)了同時(shí)控制三軸的運(yùn)動(dòng)。這臺(tái)數(shù)控機(jī)床被大家稱為世界上第一臺(tái)數(shù)控

機(jī)床。到了1954年11月，第一臺(tái)工業(yè)用的數(shù)控機(jī)床由美國(guó)本迪克斯公司正式生

產(chǎn)出來(lái)。在此以后，從I960年開(kāi)始，其他一些工業(yè)國(guó)家，如德國(guó)、日本都陸續(xù)

開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)及使用了數(shù)控機(jī)床。

數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)是工業(yè)革命的又一個(gè)標(biāo)志，它將多工序(鉆、銃、鏗、較、

攻絲)加工集于一身，隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了能進(jìn)行人機(jī)對(duì)話

式自動(dòng)編制程序的數(shù)控裝置，數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化程度進(jìn)一步提高，具有自動(dòng)監(jiān)控

刀具破損和自動(dòng)檢測(cè)工件等功能。帶自動(dòng)換刀裝置的數(shù)控機(jī)床(加工中心)相繼問(wèn)

世。20世紀(jì)70年代后，數(shù)控機(jī)床進(jìn)入了發(fā)展的黃金期，各種高性能、高可靠性

及高傳動(dòng)精度的加工中心不斷現(xiàn)，立式、臥式加工中心相繼問(wèn)世。美國(guó)、德國(guó)、

日本等制造強(qiáng)國(guó)在數(shù)控加工中心的研發(fā)方面取得了巨大成就。

數(shù)控加工中心是一種帶有刀庫(kù)并能自動(dòng)更換刀具，對(duì)工件能夠在一定的范圍

內(nèi)進(jìn)行多種加工操作的數(shù)控機(jī)床。加工中心按主軸在空間的位置可分為立式加工

中心(VerticalmachiningcenterVMC)與臥式加工中心(HorizontalMachiningCenter,

HMC)O在加工中心上加工零件的特點(diǎn)是：被加工零件經(jīng)過(guò)一次裝夾后，數(shù)控系

統(tǒng)能控制機(jī)床按不同的工序自動(dòng)選擇和更換刀具；自動(dòng)改變機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給

量和刀具相對(duì)工件的運(yùn)動(dòng)軌跡及其它輔助功能，依次完成工件幾個(gè)面上多工序的

加工。并且有多種換Z或選刀功能，從而使生產(chǎn)效率大大提高。由于工序的集中

和自動(dòng)換刀，減少了工件的裝夾、測(cè)量和機(jī)床調(diào)整等時(shí)間，使機(jī)床的切削時(shí)間達(dá)

到機(jī)床開(kāi)動(dòng)時(shí)間的8()%左右(普通機(jī)床僅為15?20%);同時(shí)也減少了工序之間的

工件周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)和存放時(shí)間，縮短了生產(chǎn)周期，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效果。

臥式加工中心的發(fā)展動(dòng)向是智能化、高速化、高精度和愈發(fā)完善的各種機(jī)能。

臥式加工中心是數(shù)控機(jī)床的典型代表，是集計(jì)算機(jī)，PLC,伺服驅(qū)動(dòng)等典型機(jī)電

一體化機(jī)械加工設(shè)備，我國(guó)從70年代開(kāi)始研發(fā)制造，己有很大發(fā)展。

在臥式加工中心中，刀庫(kù)和機(jī)械手組成自動(dòng)換刀裝置(AutomaticTool

Changer,ATC),而自動(dòng)換刀裝置的結(jié)構(gòu)，自動(dòng)化程度，控制方式，執(zhí)行能力等，

將直接影響加工中心的檔次，加工效率等，從目前情況看，臥式加工中心的主機(jī)

部分基本定型，變化不大，但自動(dòng)換刀裝置種類繁多，五花八門(mén)，是最難搞好的

部分。它是加工中心的象征，又是加工中心成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此各加工中心制

造廠家都在下大力研制，動(dòng)作迅速、準(zhǔn)確、可靠性高的自動(dòng)換刀裝置，以求在激

烈的競(jìng)爭(zhēng)中取得好效益，正因?yàn)樽詣?dòng)換刀裝置是加工中心的核心內(nèi)容，各廠家都

在保密，極少公開(kāi)有關(guān)資料。

2

1.3本文主要內(nèi)容

本文主要包括以下幾個(gè)方面：

(1)介紹了臥式加二中心鏈?zhǔn)降稁?kù)，包括刀庫(kù)的概念、基本結(jié)構(gòu)以及國(guó)內(nèi)外

的研究現(xiàn)狀等：介紹了數(shù)控系統(tǒng)的概念和FANUCOi-MD系統(tǒng)的特點(diǎn)；介紹了

PMC的概念和特點(diǎn)。

(2)詳細(xì)說(shuō)明了臥式加工中心鏈?zhǔn)降稁?kù)換刀的動(dòng)作流程和原理；說(shuō)明了捱式

刀庫(kù)硬件控制線路的基本結(jié)構(gòu)和常用電器元件；說(shuō)明了鏈?zhǔn)降稁?kù)軟件控制系統(tǒng)獻(xiàn)

基本結(jié)構(gòu)和PMC的內(nèi)部資源。

(3)設(shè)計(jì)出了臥式加工中心刀座控制的PMC程序。

最后對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行了總結(jié)。

3

2數(shù)控銃床自動(dòng)換刀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

2.1數(shù)控系統(tǒng)概述

2.1.1數(shù)控系統(tǒng)特點(diǎn)

數(shù)控(NumericalControl,簡(jiǎn)稱NC)系統(tǒng)是利用數(shù)字化信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)及加工

過(guò)程進(jìn)行控制的一種方法。早期的數(shù)控系統(tǒng)是由硬件電路構(gòu)成的稱為硬件數(shù)控

(HardNC),1970年代后，硬件電路元件逐步由專用的計(jì)算機(jī)替代。

計(jì)算機(jī)數(shù)控(Computerizednumericalcontrol,簡(jiǎn)稱CNC)系統(tǒng)是用計(jì)算機(jī)控制

加工功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)值控制的系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的控制程

序，執(zhí)行部分或全部數(shù)值控制功能，并配有接口電路和伺服驅(qū)動(dòng)裝置，用于控制

自動(dòng)化加工設(shè)備的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

CNC系統(tǒng)由輸入輸出裝置、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、可編程邏輯控制器(PIC),

主軸驅(qū)動(dòng)裝置和檢測(cè)裝置等組成

2.1.2控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

FANUC數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床上使用最廣的,其全球市場(chǎng)占有率在50%以上。

FANUCOi-MD系統(tǒng)是由FANUC公司推出的高性價(jià)比的產(chǎn)品之一。該系統(tǒng)采用

FANUC30i/31i/32i平臺(tái)技術(shù)，數(shù)字伺服采用HRV3及HRV4,可以具有納米插補(bǔ)

功能，可以實(shí)現(xiàn)高精度納米加工。同時(shí)具備AI輪廓控制/AI納米輪廓控制功能

(AIContourcontrol/AInanaContourcontrol)用于高速、高精度、小段程序、多坐標(biāo)

聯(lián)動(dòng)加工。可減小用于加減速引起的位置滯后和由于伺服的延時(shí)引起的而且隨著

進(jìn)給速度增加而增加的位置滯后，從而減小輪廓加工誤差。

FANUC數(shù)控系統(tǒng)除了能控制控制伺服電動(dòng)機(jī)和主軸電動(dòng)機(jī)動(dòng)作外還有一部

風(fēng)就是控制輔助電氣部分的PMCoFANUC數(shù)控系統(tǒng)在PMC配置上也有了比較大

的改進(jìn)，采用新版本的FLADDER-HI梯形圖處理軟件，增加到了125個(gè)專用功

能指令，并且可以自己定義功能塊，可以實(shí)現(xiàn)多通道PMC程序處理，兼容C語(yǔ)

言PMC程序。

2.2數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)

數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)(CNC)、伺服單元、主軸單元、司服

電機(jī)、主軸電機(jī)、中間搬運(yùn)伺服電機(jī)、液壓系統(tǒng)、顯示及輸入裝置(LCD/MDI)、

4

操作面板、控制按鈕、檢測(cè)開(kāi)關(guān)及其他輔助設(shè)備等部分組成。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)程序的輸

入，CNC可控制機(jī)床中各外部設(shè)備的運(yùn)動(dòng)，并發(fā)出相應(yīng)的輔助功能(M,S,T)

指令，PMC根據(jù)CNC指令及檢測(cè)開(kāi)關(guān)、控制按鈕的狀態(tài)，協(xié)調(diào)整機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而

保證機(jī)床能正確、可靠地實(shí)現(xiàn)操作者所需的各個(gè)動(dòng)作。

各主要部件的功能如下：

(1)數(shù)控系統(tǒng)系統(tǒng)(CNC)

CNC是整個(gè)機(jī)床控制的核心，它主要用來(lái)對(duì)各坐標(biāo)軸的位移進(jìn)行控制(包括

移動(dòng)速度、方向、位置等)，以及主軸運(yùn)動(dòng)的控制［包括速度、位置、定向等)，此

外還把PMC需要的系統(tǒng)信息進(jìn)行綜合運(yùn)算(M,S,T)等。

(2)可編程機(jī)床控制器(PMC)

PMC主要處理數(shù)控機(jī)床中的開(kāi)關(guān)量信號(hào)以及刀庫(kù)位置運(yùn)算等，如冷卻的開(kāi)/

關(guān)，主軸的正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)、刀庫(kù)的旋轉(zhuǎn)、換刀機(jī)械手的交換、防護(hù)門(mén)的開(kāi)關(guān)、以及

外部報(bào)警等內(nèi)容的輸出及保護(hù)等。同時(shí)還負(fù)責(zé)機(jī)床和CNC之間的通訊，以保證

機(jī)床動(dòng)作的正常，可靠執(zhí)行。

(3)伺服放大器(SV)

伺服的作用是根據(jù)CNC插補(bǔ)運(yùn)算輸出的控制給定值，控制各坐標(biāo)軸伺報(bào)電

機(jī)及主軸伺服電機(jī)完成速度、位置等運(yùn)動(dòng)，保證機(jī)床有良好的動(dòng)，靜態(tài)特性，從

而實(shí)現(xiàn)正確定位，力口/減速及穩(wěn)速控制。

(4)顯示及手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入裝置(LCD/MDI)

LCD/MDI是數(shù)控系統(tǒng)的人機(jī)界面，是操作者與數(shù)控系統(tǒng)之間人機(jī)交互的媒

介,用于信息顯示及手動(dòng)數(shù)據(jù)錄入,如刀庫(kù)當(dāng)前狀態(tài)的顯示,程序的顯示及輸入，

機(jī)床參數(shù)的設(shè)定及顯示，刀具數(shù)據(jù)的設(shè)定及顯示，PMC程序的顯示與編輯,報(bào)

警內(nèi)容顯示等。

(5)輸入/輸出裝置(I/O)

輸入裝置與外部發(fā)信裝置(如按鈕開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)、霍爾元件等)相連，用來(lái)

接收外部信號(hào)(DC24V或0V)并傳送到PMC中去，完成邏輯運(yùn)算。

輸出裝置與外部被控裝置(如輔助繼電器、換向閥、液壓閥、氣動(dòng)閥等)相連，

用來(lái)控制PMC輸出到外部的控制信號(hào)。

(6)操作面板

5

操作面板數(shù)控機(jī)床控制各個(gè)功能的輸入設(shè)備，集控制方式、進(jìn)給軸、主軸、

冷卻、照明、潤(rùn)滑、刀庫(kù)等部分的控制輸入。是PMC各個(gè)功能的輸入端。

2.3鏈?zhǔn)降稁?kù)概述

2.3.1刀庫(kù)定義

刀庫(kù)系統(tǒng)是提供自動(dòng)化加工過(guò)程中所需之儲(chǔ)刀及換刀需求的一種裝置，包括

自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)和可以儲(chǔ)放多把刀具的刀庫(kù)。刀庫(kù)的主要功能就是在機(jī)床加工中提

供所需要的刀具。

刀庫(kù)的運(yùn)行由數(shù)控系統(tǒng)和PMC程序控制，當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)收到換刀指令時(shí)，控

制液壓和驅(qū)動(dòng)裝置使刀庫(kù)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)運(yùn)行進(jìn)行選刀，同時(shí)數(shù)刀信號(hào)進(jìn)行刀具位置檢

測(cè)并揩信號(hào)輸入到PMC進(jìn)行運(yùn)算，精確控制換刀機(jī)械手完成主軸與刀庫(kù)或中間

位置進(jìn)行換刀。

刀庫(kù)系統(tǒng)的重要組成部件之一是刀具搬運(yùn)機(jī)械手和刀具交換機(jī)械手。換刀機(jī)

構(gòu)主要的作用是搬運(yùn)刀具和執(zhí)行刀具交換的動(dòng)作,刀庫(kù)與換刀機(jī)構(gòu)必須同時(shí)存在。

2.3.2鏈?zhǔn)降稁?kù)

鏈?zhǔn)降稁?kù)一般應(yīng)用在中大型數(shù)控加工中心上，刀庫(kù)可儲(chǔ)放較多數(shù)量之刀具，

一般都在20把以上有些可儲(chǔ)放120把以上。（本文研究的鏈?zhǔn)降稁?kù)容量是180把），

它是藉由進(jìn)條將要換的刀具傳到指定位置，由機(jī)械手揩刀具裝到土軸上。本設(shè)計(jì)

是以臥式加工中心的鏈?zhǔn)降稁?kù)的控制為例進(jìn)行的開(kāi)發(fā)和研究。

換刀時(shí)，鏈?zhǔn)降稁?kù)由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)到正確的位置，由搬運(yùn)機(jī)械手把刀具

搬運(yùn)到中間交換位置，在由刀具交換機(jī)械手抓取并轉(zhuǎn)到等待交換區(qū)等待，當(dāng)有交

換命令執(zhí)行時(shí)，機(jī)械手進(jìn)行刀具的交換，并把換回的刀具放入中間位置，再由搬

運(yùn)機(jī)械手把刀具放回對(duì)應(yīng)的刀座內(nèi)。具結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。

6

鏈輪機(jī)械手臂

圖2.1鏈?zhǔn)降稁?kù)結(jié)構(gòu)圖

233鏈?zhǔn)降稁?kù)換到動(dòng)作流程

(1)選刀

如圖所示，此刀庫(kù)為雙鏈刀庫(kù)，沒(méi)一個(gè)刀鏈有90個(gè)刀位，共180個(gè)刀位，

由于刀庫(kù)容量大，刀庫(kù)從1號(hào)刀位旋轉(zhuǎn)到180號(hào)刀位需要很長(zhǎng)時(shí)間，這樣換刀效

率及其低下，所以在Z庫(kù)中設(shè)置中間刀位，利用搬運(yùn)機(jī)械手進(jìn)行刀具的搬運(yùn)，增

加預(yù)選功能，就是數(shù)控機(jī)床加工中下一把用的刀具預(yù)先選通，這樣搬運(yùn)機(jī)械手就

把刀庫(kù)中對(duì)應(yīng)的刀具搬運(yùn)到中間刀位，由交換機(jī)械手事先抓取并等待交換，當(dāng)交

換回的刀具再由機(jī)械手送回刀庫(kù)。這樣就能解決大容量刀具換刀時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題了。

刀庫(kù)選刀時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行T指令(如T5),此時(shí)搬運(yùn)機(jī)械手待命，刀庫(kù)由液玉馬

達(dá)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行選刀，液壓系統(tǒng)在流量和壓力上可以通過(guò)閥來(lái)控制，在通過(guò)定位

銷對(duì)刀位定位,這樣可以讓刀位準(zhǔn)確的停止到換到位置,刀庫(kù)結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。

7

4152JX?4)(26

圖2.2刀庫(kù)結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)?shù)舵溞D(zhuǎn)刀位時(shí)，搬運(yùn)機(jī)械手由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)在導(dǎo)軌上行走至抓到點(diǎn)，液

壓缸伸出驅(qū)動(dòng)刀臂前伸抓刀，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)至第二參考點(diǎn)（拔刀點(diǎn)），拔出刀

具，此時(shí)刀具從刀庫(kù)中抓出。其中這些動(dòng)作中的位置檢測(cè)由接近開(kāi)關(guān)輸出（包括

刀臂伸出刀位、刀臂縮回刀位、刀臂180度旋轉(zhuǎn)刀位等）。

搬運(yùn)機(jī)械手抓取刀具后，由液壓缸驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)180度面向機(jī)床測(cè)，當(dāng)檢測(cè)旋轉(zhuǎn)

刀位后，驅(qū)動(dòng)伺服向前運(yùn)動(dòng)到中間刀位上，把刀具插入中間刀位，手臂后退松開(kāi)

刀具，當(dāng)手臂回退刀位后，等待主軸機(jī)械手抓取刀具。

主軸刀具交換機(jī)械手檢測(cè)到中間位置有等待交換刀具時(shí)，機(jī)械手轉(zhuǎn)向中間位

置并橫向移動(dòng)抓取刀具,到位后機(jī)械手沿軸線伸出拔刀，把刀具從中間刀位拔出,

到位后旋轉(zhuǎn)45度，轉(zhuǎn)到待交換區(qū)域。此時(shí)選刀完成。如圖2.3所示。

8

rettldt

圖2.3交換手臂動(dòng)作示意圖

（2）主軸定位

當(dāng)有刀具交換指令（M06）被執(zhí)行后，首先主軸返回第二參考點(diǎn)（刀具交換點(diǎn)一

主軸與刀具交換機(jī)械手平行且在一條直線上），并完成主軸定向（準(zhǔn)停）。

（3）刀具交換

當(dāng)主軸返回第二參考點(diǎn)（刀具交換點(diǎn)）主軸完成定向后，防護(hù)門(mén)打開(kāi)（到位后）,

刀具交換機(jī)械手有液壓缸推動(dòng)在旋轉(zhuǎn)45度，與主軸平行，如圖2.4所示。檢測(cè)

開(kāi)關(guān)檢測(cè)到位后，在莊液壓缸推動(dòng)平移，使交換機(jī)械手抓取主軸的刀具，檢測(cè)開(kāi)

關(guān)檢測(cè)到位后，由旋轉(zhuǎn)液壓缸推動(dòng)刀具交換機(jī)械手拔刀，交換。完成后手臂平行

回退，然后反向旋轉(zhuǎn)45度到達(dá)等待位置，防護(hù)門(mén)關(guān)閉，主軸上的刀具交換完成。

9

圖2.4刀具交換機(jī)械手90度轉(zhuǎn)位

(4)還刀

主軸刀具交換完成后，刀具交換機(jī)械手上抓取的是從主軸上交換回來(lái)的刀具,

此時(shí)必須把刀具還回刀在，同時(shí)還要抓取新的刀具在等待區(qū)等待。刀具交換機(jī)械

手反轉(zhuǎn)45度，對(duì)準(zhǔn)中間刀位，手臂縮回，把刀具放入中間位置，刀具交換機(jī)械

手平行移回等待新的刀具。

搬運(yùn)機(jī)械手以抓刀相反的動(dòng)作將中間位置的刀具運(yùn)回刀庫(kù)指定位置，完成后

將根據(jù)數(shù)控加工程序中的T指令將下一把刀具搬運(yùn)至中間位置，由刀具交換機(jī)械

手抓取至等待區(qū)。以上動(dòng)作每交換一把刀具都將重復(fù)一遍，刀庫(kù)動(dòng)作是不影響機(jī)

床正常的加工。

2.3.4刀庫(kù)控制系統(tǒng)工作原理

通過(guò)對(duì)刀庫(kù)換刀動(dòng)作流程的分析可以看出,在數(shù)控加工過(guò)程中執(zhí)行的過(guò)程中,

有兩個(gè)指令在起作用一個(gè)是T指令，就是刀具選擇指令，T指令是告訴系統(tǒng)程序

加工中需要的是哪把刀具，由刀庫(kù)和搬運(yùn)機(jī)械手共同完成，再由刀具交換機(jī)械手

抓取到等待位。另一個(gè)指令是M06刀具交換指令，完成等待區(qū)的刀具與主軸進(jìn)

行交換，交換完成后完成還刀的動(dòng)作，還刀動(dòng)作剛好和抓刀的動(dòng)作相反。整個(gè)控

制都是由液壓系統(tǒng)完成，參與的器件由液壓缸，液壓馬達(dá)等。位置檢測(cè)由接近開(kāi)

關(guān)完成,侮個(gè)動(dòng)作完成都有位置檢測(cè)，位置檢測(cè)關(guān)系到下一步動(dòng)作能否執(zhí)行的條

10

件。其中搬運(yùn)機(jī)械手是通過(guò)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的，整個(gè)刀庫(kù)的動(dòng)作由機(jī)、電、液通過(guò)

系統(tǒng)程序和PMC程序共同完成，實(shí)現(xiàn)了電氣和機(jī)械、液壓聯(lián)合控制。

通過(guò)與原理的分析，我們知道在數(shù)控加工過(guò)程中換刀是通過(guò)指令TXX和

M06來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其中的XX為目標(biāo)刀具號(hào)。其工作原理為：

⑴當(dāng)數(shù)控加工程序執(zhí)行指令TXX時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)的通過(guò)T代碼選通信號(hào)TF

有效，將XX的目標(biāo)刀具號(hào)值送給PMC的刀具比較程序與刀庫(kù)當(dāng)前位置刀具號(hào)

進(jìn)行比較，計(jì)算出目標(biāo)刀具的步數(shù)，然后控制刀庫(kù)液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)（旋轉(zhuǎn)方向?qū)⒏?/p>

據(jù)PMC運(yùn)算確定最短路徑，輸出正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)信號(hào)）。此時(shí)數(shù)刀信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)

計(jì)數(shù)結(jié)果與計(jì)算步數(shù)相等一致時(shí)，停止旋轉(zhuǎn)并定位，此時(shí)刀庫(kù)中的刀位就是將要

更換的新刀具，這樣目標(biāo)刀具停在了換刀的位置二，然后搬運(yùn)機(jī)械手將刀具搬運(yùn)

到換刀位置，再由刀具交換機(jī)械手抓取到等待區(qū)，這樣完成了T碼選刀與備刀的

動(dòng)作。

⑵當(dāng)執(zhí)行到M06指令時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用換刀宏程序09001（調(diào)用程序號(hào)9001的子

程序的M代碼為M06參數(shù)（（No.6071）=6））進(jìn)行主軸當(dāng)前刀具和T碼預(yù)選刀具的自

動(dòng)交換。換刀子程序09001如下：

%

09001

IFW1OOOEQ1］（判斷目標(biāo)刀具是否在土軸上）

GOTO120

#199二#4003（把模態(tài)指令90或91賦予變量#199中）

M62（防護(hù)門(mén)打開(kāi)）

Ml9（主軸定向準(zhǔn)停）

GOG90G53X0（機(jī)械坐標(biāo)系選擇）

G91G30ZOY0住軸返回第二參考點(diǎn)）

M06（刀具交換）

G4X1.

G#199

N120M61（防護(hù)門(mén)關(guān)閉）

M99

%

II

程序中，GOO快速進(jìn)給，G90絕對(duì)坐標(biāo)編程，G53選擇機(jī)械坐標(biāo)系。調(diào)用程

序09001后，先是判斷目標(biāo)刀具是否在主軸上，如果在主軸上執(zhí)行GOTO120直

接跳出換刀程序，如果判斷刀具不在主軸上，將執(zhí)行后續(xù)換刀動(dòng)作。把模態(tài)指令

9()或91賦值到用戶變量#199中，M62防護(hù)門(mén)打開(kāi)，M19主軸定向，X,Y,Z

軸返回機(jī)械坐標(biāo)系下的參考點(diǎn)位置。執(zhí)行M06進(jìn)行刀具交換(交換動(dòng)作的信號(hào)都

在PMC中完成)。

(3)M16指令結(jié)束，表示自動(dòng)換刀完成。最后執(zhí)行指令M99從換刀子程，手返

回?cái)?shù)控加工主程序，即換刀動(dòng)作完成，進(jìn)入下一條數(shù)控加工指令的執(zhí)行。

2.4本章小結(jié)

本章重點(diǎn)講述了臥式加工中心電氣控制系統(tǒng)的硬件組成，介紹了臥式加工中

心鏈?zhǔn)降稁?kù)控制系統(tǒng)常用的電氣元件;講述了FANUC數(shù)控系統(tǒng)PMC的結(jié)構(gòu)原理

及PMC的地址分配原則。刀庫(kù)換刀的動(dòng)作流程和換刀工作原理。為后續(xù)的硬件

電路設(shè)計(jì)和PMC程序的編制與研究打下良好的基礎(chǔ)。

12

3數(shù)控銃床自動(dòng)換刀控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3.1總體流程設(shè)廿

根據(jù)臥加鏈?zhǔn)降稁?kù)的工作原理和電路圖的結(jié)溝，本設(shè)計(jì)ATC控制程序大體

分為刀具運(yùn)算部分（刀具預(yù)選備刀）和刀具交換（換刀）程序。

刀具備刀時(shí)，輸入并執(zhí)行T代碼，經(jīng)過(guò)PMC處理后，在刀具表中找到所選

刀具的刀位號(hào)并計(jì)算所需要的步數(shù)，確定刀鏈的正反轉(zhuǎn)（就近選刀原則），以最短

路徑把刀具轉(zhuǎn)到位置。

當(dāng)執(zhí)行M06代碼時(shí)，機(jī)床調(diào)用換刀子程序（）9001,實(shí)現(xiàn)刀具的交換，并乂相

反的路徑進(jìn)行換刀操作。

3.1.1刀具預(yù)選流程設(shè)計(jì)

因本設(shè)計(jì)為雙鏈180把刀具的刀庫(kù)，先以單個(gè)鏈條90把刀庫(kù)為例，采田順

序選刀的方式。首先編制刀具號(hào)對(duì)應(yīng)表，F(xiàn)ANUC寄存器D1010-D1101為90把

刀具的刀具表，其中D1010位主軸刀具號(hào)，其余的從D1011開(kāi)始于1-90把刀具

---對(duì)應(yīng)。

數(shù)據(jù)輸入完成后，按照順序選刀的算法，首先是T指令選通并把刀具賦置到

目標(biāo)刀具寄存器中，以此判斷刀具的位置和步數(shù)c刀具預(yù)選的流程圖如圖3.1所

Zjxo

13

圖3.1選刀流程圖

3.1.2換刀流程設(shè)計(jì)

由于臥加鏈?zhǔn)降稁?kù)換刀過(guò)程是順序動(dòng)作，本設(shè)計(jì)中的刀具交換采用的是步進(jìn)

式編程，換刀動(dòng)作順序控制圖如圖3.2所示。

14

圖3.2還刀動(dòng)作順序圖

在刀具交換過(guò)程中，如果刀庫(kù)和機(jī)械手動(dòng)作不正確，可能造成設(shè)備損壞，M

至危及人身安全。因此PMC程序設(shè)計(jì)中對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各個(gè)動(dòng)作進(jìn)行必要的互鎖

保護(hù)?？偟脑O(shè)計(jì)要求如下：

(1)刀鏈正反轉(zhuǎn)必須互鎖；

(2)搬運(yùn)機(jī)械手停止位置在抓刀位置時(shí)，刀鏈不能轉(zhuǎn)動(dòng)；

(3)ATC防護(hù)門(mén)不關(guān)閉時(shí)，機(jī)床各個(gè)迸給軸互鎖(各軸不動(dòng)作)；

(4)刀庫(kù)門(mén)不打開(kāi)，刀具交換機(jī)械手不能轉(zhuǎn)向機(jī)床側(cè)進(jìn)行換刀；

(5)搬運(yùn)機(jī)械手在抓刀位，伺服驅(qū)動(dòng)裝置不能運(yùn)行；

(6)無(wú)主軸準(zhǔn)停信號(hào)刀具交換機(jī)械手不能換刀；

(7)無(wú)主軸松刀信號(hào)，換刀機(jī)械手不能拔刀；

15

(8)無(wú)主軸緊刀信號(hào)，換刀機(jī)械手不能回退；

3.2刀具預(yù)選各功能模塊設(shè)計(jì)

3.2.1刀庫(kù)換刀的反饋信號(hào)

依據(jù)電氣線路的設(shè)計(jì)可知,刀庫(kù)位置檢測(cè)輸入信號(hào)分別在2組的I/O單元中,

而主軸的松緊刀的檢測(cè)信號(hào)輸入到了0組I/O單元的X8.6和X8.7上。其余刀庫(kù)

信號(hào)都在2組的I/O單元中，本設(shè)計(jì)采用了子程序的方式進(jìn)行的，這樣程序具有

可讀性，所有信號(hào)都經(jīng)過(guò)R繼電器進(jìn)行變換。圖3.3所示僅僅顯示部分刀庫(kù)控制

輸入信號(hào)。

N01400XOO32.OR031s.4

gi八n*TTfCM

illV

AtW.W

N01401X0010.CR0J1S.7

HI________________________AABM

H.7“IIIuIMREVTTOfi!.UM

ARNX.W

NO1402X0012.1R031S.3

mAXKM

X97“titVATMAITTIMCPOSITXOJTB加

AKMB.W

N01403X0012.2aosis.o

DIA

J9”。111VARMATBPPQfiTTYCWStf

ARMS*

N01404XOO32.3R031S.2

AASMXTBfAC

K.”2tilu

ARNT.W

1V0140SR031B.1

f

UIVATWAXTTKXPOSITIONAsw

ABXA.W

圖3.3部分刀庫(kù)位置檢測(cè)輸入信號(hào)

3.2.2刀庫(kù)容量的控制

本設(shè)計(jì)主要是針對(duì)臥加鏈?zhǔn)降稁?kù)，刀庫(kù)的容量180把的機(jī)床,不具有通用性,

所以在刀庫(kù)容量上采用固定式設(shè)計(jì)，沒(méi)有進(jìn)行外部賦值選擇刀庫(kù)容量的設(shè)計(jì)。圖

3.4為刀庫(kù)容量設(shè)計(jì)PMC程序，可以看出把常數(shù)0,90,91,181分別以二進(jìn)制

的形式賦予地址D1020,D20,D8,DI024a樣就把刀庫(kù)的容量限定在18()把刀

具。

16

NG0939*D*QVWAQ1A?A1KAVCT，

||

X629IISVB400001

LOG1KUMCB

0000000091

D00C8

INBX41

N0094。金96011ACT

||_______________C*fD4AAAA1

LII

LOG1

0000000090

D002C

N00S41R9091.1ACT

JL

A6B”IISUB4O0001

LOG1NUMEB

oooooocooo

D1020

-0

N00942DQAQ11ICT

||

D6644IISUB400001

LOG1NUMBB

0000000181

D1024

-181

圖3.4刀庫(kù)容量

3.2.3刀庫(kù)計(jì)數(shù)及定位信號(hào)處理

根據(jù)地址賦值可知，刀庫(kù)計(jì)數(shù)檢測(cè)元件安裝在液壓馬達(dá)上，通過(guò)線路連接在

PMC輸入端的X33.1和X33.2上。在刀庫(kù)正轉(zhuǎn)標(biāo)志信號(hào)80122.0有效時(shí)計(jì)數(shù)器工

作在加計(jì)數(shù)狀態(tài)，反轉(zhuǎn)標(biāo)志信號(hào)80123.0有效時(shí)計(jì)數(shù)器工作在減計(jì)數(shù)狀態(tài)。可用

PMC的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)增減計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)器預(yù)置地址為D20,計(jì)數(shù)地址為DIOlOo

當(dāng)計(jì)數(shù)刀具與目標(biāo)刀具相一致時(shí)驅(qū)動(dòng)一致性比較輸出標(biāo)志位80125.1=1,切斷刀

鏈液壓馬達(dá)的3僅動(dòng)信號(hào)c實(shí)現(xiàn)刀庫(kù)計(jì)數(shù)和定位°參考程序如圖3.5和圖3.6所示。

17

圖中二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)條件信號(hào)來(lái)自于X33.1和X33.2共同作用。加減計(jì)數(shù)條

件由8123.0和8122.0兩個(gè)旋轉(zhuǎn)標(biāo)志位決定，89091.1為PMC特殊功能寄存器常

為lo故CN0常為1,因此計(jì)數(shù)器從1開(kāi)始計(jì)數(shù)。

N000C4R9091.1CKO

Fie—II—SUBSSD0020

LOCICTRC

R0121.SR0122.0UPDOWN

TPD1010

ROTDIR

A0123.0

—11

TSTCCW

R9091.1RST

LOCI

X0033.1X0033.2ACT

圖3.5刀具計(jì)數(shù)程序

Y22.2為刀鏈轉(zhuǎn)動(dòng)嶇動(dòng)信號(hào)，8750.0為目標(biāo)刀具與當(dāng)前刀具數(shù)值是否一致標(biāo)

志位，如果不一致輸出為1,一致為0,是COIN指令的啟動(dòng)條件，當(dāng)?shù)舵溵D(zhuǎn)動(dòng)

信號(hào)為1,R750信號(hào)為1,此時(shí)COIN指令工作，并進(jìn)行8108和81()()內(nèi)(兩地址

內(nèi)存的是目標(biāo)刀具和當(dāng)前位置信息)的數(shù)值進(jìn)行一致性叱較，如果一致說(shuō)明刀具

己經(jīng)轉(zhuǎn)到預(yù)定位置，使8125.0為1,將切斷刀庫(kù)停止信號(hào)。

324T碼到達(dá)準(zhǔn)備

當(dāng)數(shù)控機(jī)床工作在自動(dòng)、MD工、DNC等模式時(shí)，執(zhí)行TXX指令時(shí)，T代

碼選通信號(hào)F7.3=l,A0.3為刀庫(kù)調(diào)試時(shí)選通的報(bào)警信息，當(dāng)?shù)稁?kù)不處于調(diào)試階

18

段時(shí),此信號(hào)為Oo當(dāng)前面條件滿足時(shí),T代碼選通標(biāo)志位8120.2為1。3反動(dòng)8120.0

標(biāo)志位為1,并自鎖。當(dāng)選通完成信號(hào)8133.1或8123.6信號(hào)來(lái)時(shí)，切斷選通信

號(hào)。參考程序如圖3.7所示。

圖3.7T代碼選通

當(dāng)T代碼選通信號(hào)有效時(shí)。將F26（此地址為FANUC系統(tǒng)T代碼寄存器）內(nèi)

容（目標(biāo)刀具號(hào)）傳送至D1500中。此時(shí)T代碼選通完成。參考程序如圖3.8所示。

R0120.0R0802.6ACT

T1—14---------SUB81111

TSTORE

MOVE

1111

F0026

D1500

=P26

圖3.8T代碼傳送

3.2.5刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)控制

當(dāng)T碼被選通后，刀庫(kù)旋向信號(hào)開(kāi)啟刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)控制信號(hào)并保持，為T(mén)碼判

斷后的選刀做好準(zhǔn)備。為保證安全，當(dāng)有復(fù)位信號(hào)或有急停時(shí)不允許刀庫(kù)旋轉(zhuǎn);

19

此控制中包含了手動(dòng)方式下刀庫(kù)轉(zhuǎn)位的控制，以備刀庫(kù)調(diào)試時(shí)或亂刀是的手動(dòng)控

制與調(diào)整。當(dāng)T代碼旋轉(zhuǎn)到位置位或T碼刀己在主軸上，斷開(kāi)刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)信號(hào)。

參考程序如圖3.9所示。

XOO90O

I7113

L

MAGCWRELAY

N0C981

N7132TOOLPOTCWLAMP

N009B2F0003.5R0123.0RC122.5R015J,1X0C08.4

A713S—IF

TSTCCWBREA16WACW.T

R0020.1R0121.7RO316.S

T一

AOTOMAGCCWTDOR.W

R0353.2R0020.1RO12s.i

MCCW.YAUTO

R0123.SF0001.1RO3B3.2

D—Q-MAGCCIi

ARMORRST.FMCCW.Y

圖3.9刀庫(kù)正反選裝控制

3.2.6刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)方向判斷

當(dāng)T代碼選通時(shí)將根據(jù)當(dāng)前刀號(hào)和目標(biāo)刀號(hào)來(lái)確定刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)方向以及所需

旋轉(zhuǎn)的步數(shù)的計(jì)算。依據(jù)判斷的輸出結(jié)果來(lái)臟動(dòng)刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行洗刀。刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)方

向判斷的參考程序如圖3.10所示。

刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)方向的判斷和步數(shù)計(jì)算是通過(guò)二進(jìn)制旋轉(zhuǎn)控制指令ROTBCSUB26)

實(shí)現(xiàn)的。RNO=1表示叵轉(zhuǎn)體位置號(hào)是從1開(kāi)始;DIR=1表示判別回轉(zhuǎn)方向;POS=0

20

表示計(jì)算目標(biāo)位置的步數(shù)；INC=1表示計(jì)算到達(dá)目標(biāo)位置的步數(shù)。當(dāng)T代碼選通

信號(hào)有效時(shí)，SUB26指令有效，將D1010儲(chǔ)存的當(dāng)前刀具號(hào)和D1500目標(biāo)刀具

號(hào)進(jìn)行比較并計(jì)算結(jié)果，根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定刀庫(kù)的旋轉(zhuǎn)方向，并把計(jì)算步數(shù)送入

D0016中,正轉(zhuǎn)信號(hào)由8121.5=1輸出,8121.5=0為反轉(zhuǎn)信號(hào)。

—0—ROTDIRECTION

ROTDXM

圖3.10刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)方向判斷

3.3刀具交換功能模塊設(shè)計(jì)

331搬運(yùn)機(jī)械手插拔到和轉(zhuǎn)位控制

搬運(yùn)機(jī)械手通過(guò)伺服電機(jī)的位置控制能準(zhǔn)確的停止在抓刀位和拔刀位置，在

通過(guò)手臂的平移和回轉(zhuǎn)動(dòng)作完成在刀庫(kù)中拔刀、插刀動(dòng)作。并T代碼選通的刀具

搬運(yùn)到中間位置（公共刀座）為刀具交換機(jī)械手抓刀做）隹備，此功能的PMC程序

都是互鎖的邏輯控制，選取其中一部分程序作為代表迸行分析，如圖3.11所示。

8766.3為左移液壓閥輸出電磁線圈控制的標(biāo)志位，從圖中我們主要對(duì)其進(jìn)行

了互鎖控制，8766.2為右移液壓閥輸出電磁線圈控制的標(biāo)志位，兩個(gè)用常閉點(diǎn)進(jìn)

行互鎖，以免發(fā)生同時(shí)得電的情況發(fā)生，防止碰潼。除了左右移動(dòng)進(jìn)行互鎖外,

還伺服電機(jī)的位置標(biāo)志位進(jìn)行互鎖，也就是說(shuō)伺服電機(jī)如果沒(méi)能運(yùn)行到制定位置

不能移動(dòng)。刀鏈目標(biāo)刀具沒(méi)有運(yùn)行刀位置也不能移動(dòng)。

21

圖3.11搬運(yùn)機(jī)械手左移

3.3.2交換刀具機(jī)械手控制

刀具交換的第一步是搬運(yùn)機(jī)械手己經(jīng)把目標(biāo)刀具搬運(yùn)到中間位置，換刀機(jī)械

手在吧刀具搬運(yùn)到等待區(qū)，等待交換指令。參考程序如圖3.12所示。

Y20.6刀具交換機(jī)械手從機(jī)床拔刀位置轉(zhuǎn)到中間等待位置；Y20.7刀具交換

機(jī)械手從中間等待位置轉(zhuǎn)到機(jī)床拔刀位置；Y21.1刀具交換機(jī)械手從公共刀座的

拔刀位置轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)到中間等待位置；Y21.0刀具交換機(jī)械手從中間等待位置轉(zhuǎn)到公

共刀座拔刀位置。分別有標(biāo)志位8353.4\R353.7\R353.5\R353.6控制。

22

R0766.6Y0020.S

—o—

R0766.7Y0020.4

~~O--?

R0353.SY0021.1

—o—?

ARMA.Y

R03S3.6Y0021.0