链式刀库换刀控制程序设计及可靠性保障措施*

葛玉华，韩 军，冯虎田，董维新，刘亚峰

(1.南京理工大学 机械电子工程系，南京 210094;2.陕西秦川机床工具集团有限公司秦川发展研究院，陕西 宝鸡 710300)

0 引言

刀库及机械手是数控机床的关键功能部件之一，研究刀库及机械手的可靠性是提高国产高档数控机床国际竞争力的重点任务之一。电气控制是刀库机械手换刀系统重要组成部分，在以往研究中发现，电气控制故障一般在系统总故障的1/4 以上［1］。影响电气控制可靠性的因素有CNC 系统、检测元件、电气控制线路及控制程序等，其中控制程序反映了刀库机械手换刀的综合逻辑要求，是可靠性影响因素很重要的方面之一。本文针对台湾吉辅某立卧两用链式刀库，结合FANUC-0iD 内置PMC 分析了如何设计高可靠性的换刀控制程序，提出具体的可靠性保障措施，该链式刀库机械手换刀系统结构如图1 所示。

1 链式刀库机械手工作原理及换刀过程介绍

图1 所示链式刀库结构为加长型链条，容量是60，刀具交换装置是常见的双臂机械手，采用抱手结构，两边抓刀提高了效率。刀库的转动以及机械手的运动都采用油压驱动，刀库通过油压马达驱动链轮传动机构粗略定位至目标刀具前一位，再通过定位油缸、慢速油缸精确定位使所换刀具正确位于换刀位置，机械手通过平移油缸伸缩驱动平移机构沿X轴移动实现主轴与刀库之间刀具的运送，通过拔刀油缸伸缩沿Z 轴移动实现拔刀、装刀，另外通过翻转油缸伸缩驱动翻转机构绕X 轴旋转实现立、卧式加工中心转换以及通过换刀油缸伸缩驱动旋刀定位机构绕Z 轴旋转实现换刀。控制元件包括各个油缸伸出开关、缩回开关、刀库原点开关、刀库数刀开关以及各个油缸电磁阀。其换刀过程有手动和自动之分，前者主要用于刀库的安装、调试、维修等方面，包括手动刀库回零、刀库步进、手动换刀等;后者主要是在数控系统换刀指令的控制下完成一整套动作［2］。卧式加工中心链式刀库自动换刀过程分为刀库选刀(T 指令)和刀具交换(M06 指令)两部分，动作流程如图2 所示。

图1 链式刀库三维图

图2 链式刀库机械手自动换刀动作流程图

2 影响链式刀库机械手换刀控制程序可靠性的因素

引言指出，CNC 系统是电气控制可靠性的重要因素，也是保障换刀控制程序可靠性的前提，因此采用高可靠性、高性价比的数控系统(CNC)——FANUC-0iD，它能够在严酷的环境下持续运转并保持相当高的性能［4］。PMC 是FANUC 公司研制专门用于机床控制的可编程序控制器，它能够将机床操作按钮、各类控制开关信号、NC 内部信号等通过逻辑处理转换成输出信号驱动电磁阀等执行机构，控制顺序逻辑及机床坐标轴运动，并适时地产生相关报警。FANUC-0iD 系统采用内置式PMC，两者共用CPU，PMC 的I/O 单元以I/O 接口模块形式安装在FANUC 系统上，通过编制PMC 程序能够将通用的FANUC 系统设计为满足该链式刀库特定自动换刀控制要求的控制系统［4］。

除此之外，影响PMC 换刀控制程序可靠性的因素归结起来是灵活多变的I/O 信号和程序设计的方法:I/O 信号是PMC 梯形图程序与外围元器件的接口，例如磁簧开关、行程开关、油压电磁阀等，当出现机械触点抖动、传输信号线短路或断路、油压电磁阀未按设计时序及时开合等故障时，机械手刀库的动作就会紊乱，换刀就无法正常实现［5］，从中也可以看出电气控制可靠性与换刀控制程序可靠性是相依相存，不可分离的，在进行链式刀库及机械手电气控制的硬件设计时，选择高可靠性的外围元器件，合理设计接口电路、安装时考虑抗干扰措施，输入输出线路加入信号处理模块、完善故障报警系统等，这些都可以一定程度上保证I/O 信号的准确性、稳定性;另外设计换刀控制程序时，在满足控制逻辑的前提下，采取巧妙合理的编程方法可以大大提高换刀程序的可靠性。

3 链式刀库机械手自动换刀控制程序设计

设计可靠性高的换刀控制程序需要满足换刀前后刀具处于正确的位置、操作安全、换刀时间短，刀具管理方便等要求，图3 为链式刀库及机械手自动换刀控制程序流程图。

在FANUC 系统发出换刀指令后，换刀分两步进行:计算机随机刀库选刀即搜索T 指令目标刀具和机械手实现刀具交换。PMC 控制程序周期分成高速扫描循环级LEVEL1 和普通扫描循环级LEVEL2，换刀控制主程序在LEVEL2 中，充分利用PMC丰富的指令系统可以大大简化选刀过程，另外采用PMC 结合宏程序控制刀具交换的过程，将机械手的动作以辅助功能定义然后在宏程序里组合，可以降低信号干扰、方便故障查找。

3.1 计算机随机刀库选刀控制

利用FANUC 可编程控制器PMC 的存储器功能实现计算机记忆随机选刀即软件选刀，无需编码环、识刀器，刀具可以任意取出、任意送回，PMC 能够始终记忆着刀具的踪迹［6］。首先需要在PMC 存储器中建立一个模拟刀库数据表和两个计数器:模拟刀库数据表负责记录各刀套中刀具号，长度为刀库容量加1，数据表的表序号为刀套号，表序号0表示主轴刀套号，数据内容即刀套对应的刀具号，如表1 所示多次换刀后PMC 中的模拟刀库数据表，1号刀具在主轴上;两个计数器分别记录刀具容量及当前刀套号。

表1 模拟刀库数据表

软件选刀的关键步骤是随机刀库寻刀、计算旋转方向、记录当前刀套和一致性判断，体现在程序实现上分别用到的功能指令有:数据检索指令DSCHB、回转控制指令ROTB、环形计数器指令CTRC、数据比较指令COIN。PMC 接收到寻刀指令Txx 后，经过辅助功能译码得到TF 刀具功能选通信号，TF 信号高电平时数据检索指令起作用，在模拟刀库数据表中搜索目标刀具在刀库中的位置，得到目标刀套号;链式刀库虽是链条传动，依然可以看作刀位为60 的圆形刀架，因此采用回转控制指令计算得出目标刀套与当前刀套之间的最近移动步数，对于大容量刀库来说，就近选刀是必要的选刀模式;刀库旋转过程中需实时保证模拟刀库数据表与实际刀库的一致性，可以采用环形计数器指令记录当前刀套刀具的变化，正转加计数、反转减计数，计数信号为数刀近接开关检测信号，计数器预置值是刀库的容量60，达到60 后复位重新计数，因此C0002能始终指示刀库的现在位置;另外采用数据比较指令判断目标刀套是否转到当前位置。

3.2 PMC 结合宏程序实现刀具交换控制

宏程序是FANUC 系统中可以同时使用变量、算术逻辑指令、CNC 指令实现类似于高级语言的编程功能，使用宏程序编程可以减少计算工作量，提高编程效率，简化程序。在利用PMC 实现换刀动作时，结合宏程序、数控系统变量及参数设置进行，利用辅助功能指令译码、执行，不但增加了程序的可读性，还降低了PMC 梯形图编制的复杂度［7］。

(1)要编制宏程序实现换刀功能，需设置数控系统参数#6071 =6，当程序运行至换刀指令M06 时，能自动调用宏程序O9001。

(2)用户宏程序输入信号变量#1000 ～#1002(G54.0 ～G54.2)，作为宏程序与PMC 的接口，由梯形图程序中逻辑处理决定。设计自动换刀刀套与目标刀套一致时，G54.0 =1;主轴上无刀时，G54.1 =1;选刀指令操作数为0，即T00 时，G54.2 =1。

图3 链式刀库机械手自动换刀控制程序流程图

(3)宏程序使用增量编程，数控程序则不一定，在调用宏程序时必须将数控程序的系统模态信息保存起来，执行完宏程序后再恢复。相关系统模态信息变量有#4003、#4005 和#4006，分别表示绝对值/增量值指令方式、每分/转进给方式和英/米制输入。

(4)为了方便调试检查，在宏程序中增加报警信息，用到变量#3000。例如#3000 = 1(TOOL NOT FUOND)，在换刀过程中若是输入的寻刀指令操作数大于刀具容量，FAUNC 系统屏幕上就会显示“3001 TOOL NOT FOUND”。

(5)换刀宏程序将刀具交换的每一步用辅助功能代码M 定义，按照顺序编程，为防止执行过程中一个动作未完成另一个动作已经开始，保证可靠性，每个动作之间暂停0.5 秒。

(6)在PMC 程序中对换刀宏程序的系统变量、M代码等信号进行处理，实现刀具交换任务。最后在PMC 程序中采用变址传送指令XMOVB 将主轴刀号与刀库当前刀号对调位置，实现刀具表更新。

4 换刀控制程序可靠性保障措施

上述换刀控制程序设计方法基本实现了换刀功能，但要保障程序的可靠性还得从细节方面去考虑，相关措施有:

(1)缩短PMC 程序执行周期及信号处理时间，提高系统灵敏度

软件避错设计理论是软件可靠性设计的首要方法，其基本原则是控制和减少程序的复杂性，在满足换刀要求前提下尽可能设计简单，缩短程序处理时间。例如:PMC 程序分时线性管理方式的特点要求高速扫描循环级LEVEL1 应尽可能设计紧凑来缩短系统响应时间，对于该换刀控制程序只需在LEVEL1中编写与安全有关的急停、互锁等模块;程序编制完成后将梯形图写成逻辑代数表达式，利用合并同类项等方法化简，例如刀库手动控制，手动刀库步进，手动机械手移动等动作都需要在FANUC 系统JOG手动工作方式下按下刀库手动按钮才能执行，对于类似具有同样条件的支路将这些条件存入中间寄存器，可以减少不必要的扫描，缩短信号处理时间;机械手进行刀具传送动作多、条件复杂，但只存在两个状态:从刀库到主轴以及从主轴到刀库，两者有很多动作是重复的，但是条件不同，如果按照动作编程，每个动作有两个状态的条件，PMC 两者都需进行扫描才能确定哪个，这里的解决方法是加入分支结构(JMP 指令实现)简化判别过程，将两个状态分开编制，执行一个状态时，另一个直接跳过从而缩短了PMC 执行周期。

(2)输入输出信号处理

灵活多变的I/O 信号是多发故障源，这里采用故障隔离技术，程序中加入处理模块提高信号稳定性。例如:输入信号随机性是换刀控制程序的一个不稳定性因素，一般情况下利用中间寄存器过渡，不但可以起到控制程序执行顺序的作用，还可以方便编程;对计数输入信号，例如刀库数刀讯号由近接开关产生，受刀库转动速度影响，可能宽度不定，所以利用寄存器处理产生固定宽度的单脉冲信号;对主轴松刀、紧刀信号等脉冲信号，为了保证可靠性，利用定时器将信号展宽，通过寄存器转移到下一步动作;输出信号直接影响执行机构动作，对于不相容信号，例如刀库正反转信号，必须采用互锁保护［8］。

(3)报警、提示信息功能的制作

软件查错设计是指在设计中赋予程序某些特殊功能，使程序在运行中自动查找错误，换刀控制程序执行过程中如若遇到故障，如选刀指令出错、机械手信号未到位、机械手动作超时等，报警、提示信息就能帮助我们快速查找原因，提高系统可靠性;系统定时器串接到指示灯上，R9091.6 以1s 间隔闪烁、R9091.5 以200ms 间隔闪烁分别可以在程序中表示不同的报警含义;利用信息选择显示地址A 进行提示信息的显示;另外在宏程序中利用变量也能实现报警信息的制作;报警、提示信息的存在会阻止MDI 程序的执行，在程序中用K 参数屏蔽，方便调试及故障处理后的继续进行。

PMC 换刀控制程序是介于FANUC-0iD 系统与链式刀库及机械手之间的中间环节，要保障PMC 程序能正确可靠地将两者联系起来，必须在掌握I/O信号特点基础上，巧妙设计程序逻辑，细心编制梯形图，并通过连接调试不断地改进换刀程序的可靠性。

5 结束语

本文对链式刀库机械手换刀过程作了详尽介绍，并简要分析了换刀控制实现程序可靠性的影响因素，得出程序设计方法是很重要的方面之一，在此基础上结合FANUC 数控系统内置式PMC，从刀库选刀和刀具交换两方面研究了如何设计可靠的链式刀库换刀控制程序，包括刀库选刀的关键指令以及PMC 结合宏程序如何实现刀具交换控制，并进一步从信号处理、报警等细节方面考虑相关可靠性保障措施。设计的PMC 程序在我院链式刀库及机械手可靠性试验台的控制系统中调试通过，并取得了较好的运行效果，对类似换刀软件设计有一定的借鉴意义。

［1］王元军，杨琪，俞晖，等. 某型卧式加工中心自动换刀系统可靠性与故障分析［J］. 应用研究，2010，39(7):75－78.

［2］李继中. 加工中心刀库控制及调试方法研究［J］. 深圳职业技术学院学报，2011(3):7－13.

［3］北京发那科机电有限公司. FANUC 数控系统的可靠性［J］. 制造技术与机床，2001(9):47－48.

［4］龚仲华. FANUC 0iC 数控系统完全应用手册［M］. 北京:人民邮电出版社，2009.

［5］周子辰，王晨. 浅析PLC 控制系统的可靠性［J］. 信息与电脑，2011(3):132.

［6］陈芳. PMC 在加工中心随机自动换刀中的应用［J］. 机电工程技术，2004(4):69－73.

［7］黄风. 机械手刀库换刀宏程序的开发与调试［J］. 金属加工(冷加工)，2011(10):84－86.

［8］孙昭永. CNC 系统的PC 程序可靠性研究［J］. 电气传动，1989(3):45－52.