基于FANUCI/OLINK 轴的飞碟式刀库控制系统开发

夏田，丁丙坤，王健

(陕西科技大学机电工程学院，陕西西安710021)

钻攻中心是以高速钻孔、攻丝和铣削为主的加工设备［1］，与一般的机床相比，钻攻中心最大的特点就是加工效率高，其常用的刀库类型有夹臂式和飞碟式。

钻攻中心飞碟式刀库换刀是依靠主轴 (Z 轴)上下移动来实现整个换刀动作的，为保证换刀安全、准确、快速，利用FANUC 系统中的I/O Link 轴对飞碟式刀库伺服电机进行控制［2］，同时利用FANUC PMC 窗口功能实时监控Z 轴的机械位置。

1 飞碟式刀库换刀控制要求

图1 关于Z 轴位置的4 个参考点

飞碟式刀库是利用机床主轴进行换刀的，通常安装在主轴的正前方，因而省略了刀盘的进/退和刀套的上/下松刀，换刀速度快。根据飞碟式刀库的结构特点，在换刀过程中需要在刀库的松刀块上和曲线导板上分别找出关于Z 轴位置的两个参考点，如图1 所示。

参考点1 表示主轴打刀点，到达该点后主轴开始松刀。为保证刀柄能顺利进入主轴，Z 轴在到达参考点1 之前需要进行主轴准停M19;参考点2 表示刀柄已完全从主轴锥孔中脱离，且只有Z 轴位于参考点2上方图1 关于Z 轴位置的4 个参考点刀盘才能选刀;参考点3 和4 为Z 轴在上下移动过程中的过渡撞击点，为提高换刀速度在换刀宏程序中，要在参考点3和4 设定一短暂停，一般在0.1 s 左右。将这4 个位置参考点分别存入FANUC 系统参数PRM1240 ～PRM1243 中。

2 刀库控制硬件系统

2.1 I/O Link 轴的硬件连接

I/O Link 轴控制是通过系统的FANUC I/O Link对伺服电机进行控制的一种方法。I/O Link 轴不能与系统控制的其他伺服轴进行插补，还需要占用系统I/O Link 的128 输入点和128 输出点。

I/O Link 轴的驱动是通过βi 系列放大器完成的。该放大器通过I/O Link 接口与系统相连，系统通过PMC 梯形图对该接口进行控制，完成对I/O Link 轴的控制。图2 为I/O Link 轴放大器的连接示意图［3］。当使用I/O Link 作为系统与放大器之间的通信时，需要设定通信地址，通过该通道完成通信，该轴的地址分配符合系统对I/O 地址分配的原则。

图2 I/O Link 轴放大器的连接示意图

2.2 I/O Link 接口信号设定

FANUC I/O Link 轴控制接口方面，通常有两种接口形式:外围设备控制接口和直接命令接口。外围控制接口具有适用于控制机床外围设备的指令，利用一个外围指令可以使设备完成一系列动作。外围设备信号区的信号分配为:Yy +0，Yy +1，Yy +7 和Xx+0，Xx+1，Xx+2，Xx +7。通过直接通/切断或读入该信号，控制放大器模块。Yy+2 至Yy+6 称作指令命令区，对Yy+2 分配功能代码和指令数据1，对Yy+3 至Yy+6 分配指令数据2［4－5］。直接命令接口的控制基本上利用一个指令进行一个定位。

利用I/O Link 轴实现刀库选刀控制，是利用I/O Link 轴的分度功能，进行刀具定位，完成刀库的换刀控制，通过I/O Link 轴的ACT/转台方式，还可以完成就近换刀的功能，其控制信号图如图3 所示。

图3 刀库控制信号图

3 PMC 窗口功能

FANUC 系统PMC 窗口功能可以在CNC 和PMC之间读写多种数据，如坐标位置、参数、电机负载电流等各种信息［6－8］。读CNC 窗口数据分为两类:一类是在一段扫描时间内完成数据读取，为高速响应功能;另一种是在几段扫描时间内完成数据读取，为低速响应功能。

利用PMC 窗口实时监控Z 轴的机械位置，图4为PMC 窗口读取机床机械坐标控制程序。D0100 为窗口功能控制数据首地址，28 为读取控制轴机械坐标值的功码;D0108 中数据属性3 代表读取Z 轴机械坐标;R9091.0 为常1 信号，表示开机后一直读取Z轴机械位置，将读取的机械位置存放在D0110 中。

图4 PMC 读取Z 轴机械坐标

图5 为利用PMC 窗口读取Z 轴第一参考点的坐标值，并将Z 轴的机械坐标D0110 与第一参考点的位置坐标D0210 相比较，比较结果放入R0300.0 中，当D0110 大于等于D210 时R0300.0 接通。同理，将Z 轴机械坐标与第二参考点的位置比较存放在R0300.1 中，不再详述。

图5 PMC 读取第一参考点坐标

4 换刀部分PMC 程序设计

飞碟式刀库的换刀控制由换刀宏程序和PMC 控制程序两部分共同完成，在换刀宏程序中用M55 作为PMC 程序的入口，执行相关的换刀动作。使用I/O Link 轴作为刀库伺服电机控制，可以利用I/O Link轴的ATC/转台控制功能代码完成刀库的选刀，通过定义功能代码中的指令数据1 完成自动选刀或手动按一下转动一个刀位。自动选刀部分梯形图如图6 所示，其中X 和Y 的地址都从60 开始，A0008.1 为Z轴到达参考点1 后主轴未定位报警，A0008.2 为刀库未在换刀点(参考点2)以上的位置选刀报警。

图6 刀库自动换刀PMC 程序

刀库的“回零”运行是利用I/O Link 轴的“参考点返回功能”建立的零点［9－10］，将1 号刀事先手动调整到换刀位置，并将此位置的机械坐标值存储在参考点的机床坐标值参数144 或145 中。在手动模式下，通过操作面板上“刀库回零”按键，刀库回到所设定的刀库原点。

5 结束语

用FANUC βis0.5/6000 伺服电机代替刀库原来的电机，不仅提高了刀库的换刀速度，还保证了换刀的可靠性，避免因刀库中的传感器故障发生错误。在换刀过程中通过PMC 窗口功能，保证刀库在运转过程中的安全。实践证明:利用FANUC 系统的I/O Link轴控制刀库伺服电机可大大提高换刀效率和换刀的可靠性，同时还可以提高刀库的换刀精度。

［1］李洪波，黄琳．三菱M70 系统PLC 窗口功能在夹臂式刀库上的应用［J］．制造技术与机床，2013(8):150－152．

［2］FANUC Oi-D/Oi M-D 简明联机调试手册［M］．北京:北京发那科机电有限公司，2011．

［3］罗敏．FANUC 数控系统PMC 编程技术［M］．北京:化学工业出版社，2013．

［4］纪涛，王磊．基于FANUC I/O Link 轴的数控机床自动刀库设计［J］．机床与液压，2012，40(4):39－40．

［5］朱仕学．基于FANUC I/O Link 轴对旋转工作台控制的应用研究［J］．制造技术与机床，2010(11):139－141．

［6］牛志斌，曹彦生，李文斌，等．利用PMC 窗口功能实现行程润滑控制的设计与开发［J］．制造技术与机床，2013(5):130－133．

［7］梯形图编程语言说明书［M］．北京:北京发那科机电有限公司，2001．

［8］陈辉，奚叶敏．FANUC PMC 窗口功能的应用［J］．精密制造与自动化，2008(2):28－29．

［9］魏胜，王明发．基于I/O Link 轴的刀库控制方式应用［J］．组合机床与加工自动化，2008(10):52－57．

［10］I/O Link Option 维修说明书［M］．北京:北京发那科机电有限公司，2004．