1、第十章、加工中心换刀程序分析10.1 加工中心的换刀程序分析10.1.1 机床及换刀机构机床外观 主轴和机械手刀套落下动作 换刀过程中10.1.2 换刀动作分析这种类型的加工中心的整个换刀过程包括刀库找刀和换刀两个独立的动作。刀库找刀也叫刀具调用，当机床的操作者通过程序命令，例如：T12，从刀库调用 12号刀时，PMC 检索 12 号刀具所在的刀套号，再进行刀库正反转判别，控制刀库旋转；当然还有手动刀库的旋转操作，完成手动装卸刀具。换刀动作集合了刀库、机械手、主轴三方面的动作，整个过程是一个顺序动作的过程，本章以一台立式加工中心的换刀程序为例，分析换刀程序的程序结构、程序内容，加工中心的生产厂
2、家为台湾丽伟计算机机械股份有限公司，VB 系列机床，采用的是FANUC-0IMB 系统。该机床的换刀机构包括：刀库、机械手、主轴拉刀机构。刀库采用侧装式，安装在立柱上，由三相异步电机通过减速机构带动刀库旋转，通过接近开关检测刀库计数和刀库回零。换刀时位于刀库最下位置的刀套在刀套抬起/落下油缸的驱动下可完成抬起落下动作。机械手的旋转、抬起落下等动作是在机械手电机的驱动下，通过一套凸轮机构来完成，换刀动作平滑、快速。由接近开关检测机械手的关键位置，配合换刀时的其它机构的动作。主轴拉刀机构完成主轴刀具的夹紧和松开操作，并有接近开关检测主轴刀具的夹紧或松开状态。通过顺序动作的步骤一步步完成换刀。以程序
3、控制自动换刀来解释整个换刀过程输入换刀指令：T*并执行循环启动程序处理输出通过 F26 将 T 代码输出至 PMC。PMC 对刀具号进行检索处理检索判断出该刀具在不在刀库，如果在进一步找出该刀具放在哪一个刀套内。刀库旋转控制根据检索到的刀套号，控制刀库旋转。刀库旋转到位停止，刀具调用动作完成。M06 的处理当程序处理到 M06 时，启动整个换刀动作换刀准备动作：机械手待位状态、机床各轴到达换刀位置、主轴定向。换刀步骤 1刀库侧，刀套下（刀套由水平状态变为垂直状态）换刀步骤 2机械手旋转 60 度抓刀换刀步骤 3主轴刀具松开、主轴清洁吹气换刀步骤 4机械手拔刀落下、旋转 180 度交换刀具、机械
4、手抬起装刀。10.1.3 换刀电路:换刀步骤 5主轴刀具夹紧换刀步骤 6机械手旋转 60 度回原位换刀步骤 7刀库侧，刀套上（由垂直状态转为水平状态）换刀完成10.1.4 换刀程序地址说明: 加工中心的换刀程序比较复杂庞大，所涉及的地址较多，为便于阅读梯形图程序，将所涉及的地址放在附录。10.1.5 换刀程序介绍该机床的 PLC 类型为 SB7，下图是该程序的清单，与换刀有关的程序内容出现在一级程序、二级程序，没有为换刀专门编写子程序。因为，换刀过程中机械手动作较快，机械手的 60 度、中间点、 180 度的检测信号出现的时间很短，所以将这部分的程序放在一级程序，保证 8ms 能处理到这种信号
5、。在二级程序中，换刀程序包含:刀具检索、换刀过程状态记忆、手动换刀、自动换刀。一级程序中的换刀程序分析:一级程序中只是将需要快速处理的换刀程序信号做了一个收集，没有顺序动作，包括以下处理内容：（1 ）机械手返回点、中间点、停止点的程序分析：1、 k3.1 用来设定机械手接近开关的类型,当接近开关使用常开触点时,设定 k3.1 为 1，使用常闭触点时，设定 k3.1 为 0。三段程序处理机械手返回点、中间点、停止点的信号。2、该机床的换刀机械手采用凸轮机构，动作快,机械手位置信号都是窄脉冲信号，将这些信号的处理放在一级程序，保证每 8ms 有一次刷新。3、机械手有两个中间停止点，60 度和 18
6、0 度两个位置，在 60 度位置时，机械手电机继续旋转但机械手不转，而执行机械手向下拔刀；在 180 度位置时，机械手电机继续旋转机械手不转，而执行向上装刀。用一个接近开关配合两个检测挡块，当机械手转到这两个位置时 R529.0 均为 1。（2 ）机械手离开停止点R529.2 处理的是机械手离开停止点的状态，表示机械手已开始转动，后面程序中处理机械手 60 度旋转到位、180 度旋转到位等都用到这个信号。当机械手旋转 60 度、180 度延时到达后将 R529.2 复位。k7.6 为 1 时设定机械手的停止点使用 60 度和 180 度到达信号。当 K7.6 为 0 时，使用主轴刀具夹紧松开标
7、志信号.（3 ）在机械手旋转到 60 度、180 度时，机械手电机继续旋转，但是根据凸轮的结构，机械手停止旋转，开始机械手拔刀、装刀动作。以下程序处理机械手 60 度、180 度的到达信号，程序的原理是：在自动换刀步骤中（第二步 A2-R540.1;第四步 A4-R540.4;第六步 A6-R541.0） ，机械手从离开停止点 R529.2 到检测到机械手停止信号 R529.0，即是到达了 60 度、180 度位置。这些位置到达信号一个目的是用于启动下一个换刀步骤，另一个目的是控制机械手电机的旋转。（4 ）主轴刀具夹紧、松开故障处理在机械手转到 60 度时检测是否有主轴刀具松开 X2.1 的错
8、误信号.在机械手转到 180 度时检测是否有主轴刀具夹紧 X2.0 的错误信号（5 ）主轴刀具松开处理：主轴刀具松开包括自动刀具松开和手动刀具松开，根据自动换刀动作在机械手旋转 60 度到达、拔刀过程、换刀过程、机械手装刀过程自动刀具松开。手动刀具松开是手动方式下，按送到按钮来执行。从程序中分析，自动刀具松开是在第二步骤 R540.1 情况下，当机械手旋转到达 60 度R529.3 后启动。当机械手再旋转 180 度 R529.4 到达后，下一个动作是主轴刀具夹紧。自动刀具松开 R538.0 或手动刀具松开 R537.7 时，输出主轴刀具松开 Y6.3，加工中心的主轴刀具夹紧机构在刀具夹紧时，
9、是通过蝶形弹簧的弹力来保持的，当松刀时，增压气缸活塞杆伸出压缩蝶形弹簧，使松刀机构松开刀具，控制气缸换向的电磁阀是单作用阀。所以没有刀具夹紧的输出信号。（6 ）机械手电机旋转处理根据自动换刀的顺序过程，组合出在哪一个步骤机械手电机需要旋转，通过“或”逻辑完成。M95 是机械手故障检查指令，R544.5 用于检测机械手是否在停止位，如果不在正确的停止位置，执行 M95 指令时机械手继续旋转到正确位置。k7.6 为 1 时设定机械手的停止点使用 60 度和 180 度到达信号 ,当 K7.6 为 0 时，使用主轴刀具夹紧松开标志信号.（7 ）刀库计数处理刀库计数处理程序，X4.5 为计数开关输入地
10、址，由 K5.7 来设定选用其常开触点或常闭触点，用典型的上升沿下降沿处理程序获得计数脉冲（R530.1 上升沿信号，R531.7 下降沿信号） ，使用基本逻辑指令编辑上升沿和下降沿指令比使用上升沿和下降沿功能指令节省程序的处理时间。R500.0 为置 1 逻辑，用于给计数器的控制条件赋值。刀库计数说明：计数器的初始值为 1（R500.0） ，根据刀库的旋转方向(R531.3)来决定是正计数还是负计数。不对计数器进行复位(R500.0)刀库正转(R531.0)或反转(R531.3)时，对计数开关脉冲(R530.1)进行检测计数。D110 是计数器的预设值，也就是刀库容量。D100 记录的是当前
11、的刀套号。（8 ）刀库旋转处理以下为刀库正转控制:R530.4 为刀库手动正转启动，R536.0 为刀库自动正转启动，由检索程序判别，指定刀库正转启动。以下为刀库反转控制:R530.5 为刀库手动反转启动，R536.1 为刀库自动反转启动，由检索程序判别，指定刀库反转启动。二级程序中换刀程序的分析：1、刀库手动旋转控制：包括刀库准备处理、手动正转/反转刀库准备好信号条件包括：机床准备好 F1.7、急停信号 G8.4、刀库错误条件 R536.5、刀库换刀位置刀套在抬起位 R539.3。刀库手动正、反转控制。条件：不在刀具检索过程中 R534.2，在手动方式 R513.1、按刀库旋转按钮 R584
12、.3/按刀库正转按钮 R577.0刀库正转启动程序，按刀库手动启动按钮,刀库正转;当刀库电机开始正转后，R530.4 被复位。执行的结果是按刀库正转按钮，刀库转位；松开按钮后，刀库再转一个刀套位。刀库反转启动程序，按刀库手动反转按钮,刀库反转后;当刀库电机反转运行后，R530.4 被复位。执行的结果是按刀库反转按钮，刀库转位；松开按钮后，刀库再转一个刀套位。2、换刀时刀具表的处理：刀具表的处理流程刀库容量 D110 的赋值：由 K 地址定义刀库的容量K8.5=0,K5.1=0:刀库容量为 20；K8.5=0,K5.1=1:刀库容量为 24；K8.5=1,K5.1=0:刀库容量为 30；K8.5
13、=1,K5.1=1:刀库容量为 32；刀具表 D112 的的赋值：刀库的容量 D110+1数据转换（BINBCD）：D112 D125D100D120刀具容量赋值：K8.5,K5.1 用于设定刀库容量:K8.5=0,K5.1=0,刀库容量为 20；K8.5=0,K5.1=1,刀库容量为 24；K8.5=1,K5.1=0,刀库容量为 30；K8.5=1,K5.1=1,刀库容量为 32；NUMEB 为定义二进制常数指令，在程序中指定数据格式为两字节，将指定的数据赋值到 D110，D110存储刀库容量数据。从刀具表中读出当前刀套存放的刀具号判断主轴刀号、指令刀号、刀库刀套号的关系刀具表的赋值：D11
14、0 定义刀库容量，D112 定义为刀库容量+1，其作用是为刀具表容量赋值，D112 为刀具表长度，这样，在刀具表 D112 中，D0 可存储主轴刀号，D1 存储一号刀套的刀具号。以此类推，直到最后一个刀套。数据转换：进行 BIN-BCD 码的转换，主要用于 COIN 指令， COIN 指令只能进行 BCD 码的一致性判别，D125 的数据是刀具表的最大值，用来判别主轴刀号、待位刀号是否为空刀号。对当前刀套号 D100 进行 BCD 码转换成 D120,用于对当前刀套号内刀具号码的检索判别。读出当前刀套内的刀具号：XMOVE 指令为二进制编址数据传送指令，在这里这条指令从刀套表里读出当前刀套安装
15、的刀具号，D112 是刀套表的容量，D000 是刀套表的首地址，D100 是当前刀套号码，按照此号码，在刀套表中找出对应的刀具号，写到 R587.判断主轴刀号、指令刀号、刀库刀套号的关系，再换刀时，使用到这些判断条件。1、判断主轴是否是空刀2、判断主轴刀号是否等于指令刀号3、刀套内是否有刀3、刀具检索处理：当执行 T 指令时，PMC 首先在刀具表内检索出 T 指令的刀具存放在哪一个刀套内，刀具检索的处理的流程是：刀具检索使能处理：检索使能条件包括:刀套在抬起位 R539.4,刀库停止状态 R532.1,刀库没有报警 R536.5,换刀没有报警 R544.2。数控发出 T 指令 F7.3 后,启
16、动 R534.0 并保持住，当检索的刀具在刀库换刀位刀套位置 R535.4 或指令刀具在主轴上时，检索使能复位。T 代码的转换，该条指令完成刀具指令代码的 BIN 到 BCD 转换，为后面进行指令刀具与检索到的刀具进行一致性判别指令做准备。刀具检索的使能处理T 代码的转换刀库刀具检索：从刀库中找出指令刀具的刀套号刀库旋转控制：将指令刀具的刀套旋转到换刀位刀具检索完成：为换刀做准备DSCHB 为二进制检索指令，在程序中检索指令刀具所在的刀套号，D112 指定刀据表的大小，D00 定义刀具表的首地址， F26 指令的刀具号，R690 存储检索出指令刀具所在的刀套号码。DCNV 数据转换：进行数据
17、BIN-BCD 的转换，转换的数据用于判断指令刀具所在的刀套号与待位的刀套号是否一致。二进制方向判断:D110 刀库容量，D100 当前刀库计数值，R690 为刀具刀套号地址，R689为刀具刀套号的前一个刀号地址，R534.7 为刀具检索启动信号。数据转换：用于判断指令刀具所在的刀套号的前一个刀号与计数刀套号是否一致。判断刀库实际计数刀套号与指令刀具刀套号的前一个刀号是否一致，如果一致刀库开始减速。刀库旋转减速保持，由刀库旋转到位（指令与实际刀具一致）断开。4、刀具交换数据处理：机械手进行 180 度旋转步骤时，主轴刀具与刀套的刀具进行了交换，此时需要修改刀具表。使用 XMOVB 二进制变址数
18、据传送,完成在 R537.0R549.0 时刻读出当前刀套的刀具号。D112 刀库容量，D000 数据表初始地址存放主轴刀具，D100 刀库当前刀套号。R693 存放当前刀套内的刀具号。刀具数据交换过程：D100R693D000D100R693D000XMOVB 二进制变址数据传送,完成在 R537.3R549.0 时刻将主轴刀号写入到当前刀套内刀具号码，完成刀具数据交换。D112 刀库容量，D000 数据表初始地址，D100 刀库当前刀套号。D00 存放主轴的刀具号。逻辑与数据传送：将临时保留的当前刀套号刀具传送到主轴刀号。4、换刀过程，换刀过程是一个顺序动作的过程，换刀程序是按照顺序程序编
19、成的格式进行编写。先将整个换刀过程进行分析，分成七个过程，这七个过程依次进行，相互衔接。当前过程进行时，为下一个过程准备；当前过程的任务完成，作为下一个过程的触发条件，触发下一个过程，同时断开上一个过程。整个换刀的流程如下：换刀准备,M06 启动换刀第一过程，刀套下 A1换刀第二过程，机械手 60 度 A2换刀第三过程，主轴刀具松开 A3换刀第四过程，机械手 180 度，主轴吹气 A4换刀第五过程，主轴刀具夹紧 A5换刀第六过程，机械手 60 度回 A6换刀第七过程，刀套抬起 A7各步骤执行的触发条件及动作分析一览表步骤号 触发调件 动作步骤 1刀套下 R540.0(A1)换刀的准备内容、AT
20、C 在待位状态 R539.7刀套落下 Y5.0主轴刀具夹紧 R542.2步骤 2机械手旋转 60 度 R540.1(A2)R545.3 刀套落下到位 刀套落下 Y5.0机械手电机旋转主轴刀具夹紧 R542.2步骤 3主轴刀具松开 R540.3(A3)R533.3 机械手中间点保持 刀套落下 Y5.0主轴刀具松开 R542.3步骤 4机械手旋转 180 度 R540.4(A4)F45.7 主轴定向R539.6 主轴刀具松开R539.1 机床在刀具交换点刀套落下 Y5.0机械手电机旋转主轴刀具松开 R542.3主轴吹气清洁步骤 5主轴刀具夹紧 R540.7(A5)R533.3 机械手在中间点 刀套
21、落下 Y5.0主轴刀具夹紧 R542.2步骤 6机械手 60 度返回 R541.0(A6)R539.5 主轴刀具夹紧 刀套落下 Y5.0机械手电机旋转主轴刀具夹紧 R542.2步骤 7刀套抬起 R541.1(A7)R533.7 机械手到达返回点 刀套抬起 Y5.1主轴刀具夹紧 R542.2注：刀套抬起落下使用双作用电磁阀控制，主轴刀具夹紧使用单作用电磁阀控制程序分析：换刀准备：换刀启动，PMC 程序对 M 代码进行译码，当执行 M06 代码启动换刀，R500.7是对 M06 译码后的信号，执行 M06 指令时，R500.7 为 1。下面程序是一个上升沿处理程序。换刀准备信号，这些信号包括：没有
22、换刀报警 R544.2,没有刀库错误 R536.5,没有主轴报警F45.0,数控系统准备好 R516.0,刀库不在运行中 R538.1,刀库旋转到位 R543.6,指令刀号与主轴刀号不一致 R535.5。换刀准备条件之一，机床回到刀具换刀点。K16.1 是设定使用第一或第二参考点作为换刀点，k1.1 可设定是否使用 XY 的参考点。换刀开始，以顺序编程的方式，编写各个换刀步骤。第一个步骤刀套下 R540.0(A1)，R539.7 为换刀的启动条件，包括换刀的准备内容、ATC 在待位状态，当 R539.7 条件满足，为 1 时，R540.0 为 1，并自锁，当第一个步骤完成后，进入第二个过程 R
23、540.1(A2)，R540.0 被复位。R545.3 刀套落下到位为第二个步骤的触发条件。第二个步骤机械手旋转 60 度 R540.1(A2)，R540.0 为第一个步骤，作为第二个步骤的准备条件，R545.3 为触发条件。第三个步骤主轴刀具松开 R540.3(A3)，R540.1 为第二步骤，作为第三步骤的准备条件，R533.3 机械手中间点保持，为该步骤的触发条件。第四个步骤机械手旋转 180 度 R540.4(A4)，R540.3 为第三个步骤，是第四个步骤地准备条件，F45.7 主轴定向、R539.6 主轴刀具松开、R539.1 机床在刀具交换点作为这个过程的触发条件。该步骤中有两个
24、动作：R543.7 机械手 180 旋转、主轴吹气清洁。第五个步骤主轴刀具夹紧 R540.7(A5)，R540.6 为第四个步骤的一个动作，是第五个步骤的准备条件，R533.3 机械手在中间点作为这个过程的触发条件。第六个步骤机械手 60 度返回 R541.0(A6)，R540.7 为第五个步骤，是第六个步骤的准备条件，R539.5 主轴刀具夹紧作为这个过程的触发条件。第七个步骤刀套抬起 R541.1(A7)，R541.0 为第六个步骤，是第七个步骤的准备条件，R533.7 机械手到达返回点作为这个过程的触发条件。换刀完成 R542.0 作为第七个步骤地复位条件。换刀执行的处理，按照各步骤执行
25、的触发条件及动作分析一览表，结合控制元件的特点，编写个动作的控制。主轴刀具夹紧：第五个步骤 R540.7 执行主轴刀具夹紧动作，作为启动条件；第三个步骤R540.3 执行刀具松开动作，停止主轴刀具夹紧。主轴刀具松开：第三个步骤 R540.3 执行主轴刀具松开动作，作为启动条件；第五个步骤R540.7 执行刀具夹紧动作，停止主轴刀具松开。主轴清洁吹气：刀库刀套落下：第一个步骤 R540.0 执行刀套落下动作，作为启动条件；第七个步骤 R541.1执行刀套抬起动作，停止刀套落下动作。刀套抬起：第七个步骤 R541.1 执行刀套落下动作，作为启动条件；第一个步骤 R541.1 执行刀套落下动作，停止
26、刀套抬起动作。附录：加工中心地址*1 X0000.0 MNKEY MAINTENANCE KEY 维修键*2 X0000.1 :OILAL SPINDLE OIL ALARM 主轴油报警*3 X0000.2 :AIRAL AIR PRESSURE ALARM 压缩空气压力报警*4 X0000.3 :DRITL DOOR INTERLOCK S.W 门互锁*5 X0000.4 :LUBAL LUBE ALARM 润滑报警*6 X0000.5 :JGPSW JIG PRESSURE S.W 夹具压力开关*7 X0000.6 :CLNL COOLANT TANK LOW 冷却液液面低*8 X0000
27、.7 :MOTOL MOTOR OVERLOAD 电机过载*9 X0001.0 :CLNF COOLANT TANK FULL 冷却液液面高*10 X0001.1 :FILL FILTER TANK LOW 过滤箱液面低*11 X0001.2 :FILF FILTER TANK FULL 过滤箱液面高*12 X0001.3 :FILCV FILTER TANK COVER / FILTER SW.*14 X0001.5 :DRIT1 DOOR INTERLOCK 1 门互锁 1*15 X0001.6 :HGLS HIGH GEAR L.S 主轴高挡限位开关*16 X0001.7 :LGLS L
28、OW GEAR L.S 主轴低挡限位开关*17 X0002.0 :TCLP TOOL CLAMP L.S 刀具夹紧限位开关*18 X0002.1 :TUCLP TOOL UNCLAMP L.S 刀具松开限位开关*19 X0002.2 MTUCL MANUAL TOOL UNCLAMP P.B 手动刀具松开按钮*20 X0002.3 FTSW FOOT SWITCH 脚踏开关*32 X0004.0 XAE X AXIS OT CHECK x 轴超程检查*33 X0004.1 YAE Y AXIS OT CHECK y 轴超程检查*34 X0004.2 ZAE Z AXIS OT CHECK z
29、轴超程检查*35 X0004.3 LUBE.P LUBE PRESSURE AL. 润滑压力报警*36 X0004.4 :ARM0 ARM RETURN POINT 机械手初始位置*37 X0004.5 :CTRA MAG COUNTER A 刀库计数 A*64 X0008.0 :ATCPR ATC PRESSURE S.W ATC 压力开关*65 X0008.1 :CTRB COUNTER B 刀库计数 B*66 X0008.2 :ARM60 ARM MIDDLE POINT 机械手中间点*67 X0008.3 :ARMSP ARM STOP POINT 机械手停止点*68 X0008.4
30、*EMG EMERGENCY STOP 急停*69 X0008.5 $APO AUTO POWER OFF S.W 自动电源断开开关*78 X0009.6 :POTDN POT DOWN L.S 刀套落下限位开关*79 X0009.7 :POTUP POT UP L.S 刀套抬起限位开关*92 X0011.4 CY-STP CYCLE STOP 循环停止*93 X0011.5 PR-KEY MEMORY KEY 存储器钥匙*99 X0015.0 DOOR-O DOOR OPEN 防护门打开*101 X0015.2 DOOR-C DOOR CLOSE 防护门关闭*135 Y0003.6 MGCW
31、 MAG CW 刀库正转*136 Y0003.7 MGCCW MAG CCW 刀库反转*145 Y0005.0 POTDN POT DOWN 刀套落下*146 Y0005.1 POTUP POT UP 刀套抬起*147 Y0005.2 SPOIL SPINDLE OIL COOLER 主轴油冷却*149 Y0005.4 ARM ARM MOTOR 机械手电机*153 Y0006.0 ZBRK Z AXIS BRAKE Z 轴抱闸*154 Y0006.1 HG HIGH GEAR 主轴高档*155 Y0006.2 LG LOW GEAR 主轴低档*156 Y0006.3 TUCLP SPINDLE TOOL UNCLAMP 主轴刀具松开*157 Y0006.4 SPBLW SPINDLE AIR BLAST 主轴吹气*160 Y0006.7 DRITL DOOR INTERLOCK COIL 门互锁线圈*177 F0000.4 SPL FEED HOLD LAMP SIGNAL 进给保持灯信号
