机械手刀库换刀宏程序的开发及调试

图 4 盘正反转指令 当刀盘 正 转 脉 冲 或 反 转 脉 冲 驱 动 上 述 指 令 后， 在显示屏幕上可观察到各刀位内 R10700 ～ R10719 内
图 5 刀具交换指令的触发
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4. 换刀宏程序及 PLC 程序的编制方法 换刀程序的编制有两种类型： 其一是全部动作 由 PLC 程序控制，其二是换刀动作的顺序部分由宏 程序编制，而单步的动作由 PLC 程序编制。由于宏 程序的 编 程 简 单，特 别 是 可 以 方 便 地 进 行 条 件 判 断，改变程序的流程，分析和调试程序也方便，所 以使用宏 程 序 方 式 编 制 换 刀 程 序 是 简 便 易 行 的 方 法。 机械手刀库的换刀可以分解为两部分，第 1 为 选刀，第 2 为换刀。在实际加工过程中，可先发出 选刀指令完成选刀，在需要换刀的工步再行执行换 刀，这样可以节约换刀时间。这也是机械手刀库的 优越性之一。 因此在编制机械手刀库宏程序时可编制两个宏 程序，其一是选刀宏程序，其二为换刀宏程序。在 不同的工步调用不同的宏程序。 （1） 机械手刀库的换刀顺序 （ 选刀已预先完成 状态） 各轴 （X、Y、Z 轴） 运动至第 1 换刀点→ 主轴停转→关闭切削液→Z 轴运动至第 2 换刀点→主 轴定位→刀套垂直→刀臂卡刀→主轴松刀→刀臂换 刀→主轴 锁 刀 → 刀 臂 回 原 点 → 刀 套 水 平 → 换 刀 完 成。 （2） 换刀宏程序 程序如下：
（ 收稿日期： 20101230）
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9100 N10 M10 （ 进入换刀宏程序标志） N50 M5 （ 主轴停） N54 M9 （ 冷却停） N60 M19 （ 主轴定位） N80 G30P2Z0 （ Z 轴下到换刀点，位置由#2038 设定） N90 M20 （ 发刀套垂直指令） N95 M23 （ 发机械手卡刀指令） N100 M27 （ 发主轴松刀指令） N115 M28 （ 发机械手旋转换刀指令） N120 M26 （ 发主轴锁刀指令） N130 M22 （ 发机械手回原点指令） N140 M21 （ 发刀套水平指令） N180 M80 （ 退出换刀宏程序） N190 M99 （ 宏程序结束）
可以使用 ACT 专用指令中的 1 号搜索指令，先 搜索出目标刀号在刀库环形坐标系中的位置，再根 据其位置判断正反转方向。
起动该指令后，其搜索出的数据是目标刀具在 刀库中环形坐标系中的位置 （0，1，2…）。
对应于一个 20 把刀的环形刀库，通过判断其数 值是否大于 10，就可以确定选刀的方向，这在 PLC 程序中可以很方便处理。
3. 换刀专用指令的使用 在对 M70 数控系统内置刀库设置完毕后，为了 动态的模拟实际刀库的换刀动作，M70 数控系统还 提供了专用的换刀指令，正确的使用该指令，可以 大大简化 PLC 程序对换刀过程的处理。如果使用常 规的 PLC 指令编程可能很复杂，而且还不能在屏幕 上观察到刀库的运动和各刀套中的实际刀具。 在换刀 程 序 中 必 须 使 用 专 用 的 换 刀 指 令 如 下： 刀具号设定指令，刀盘正反转指令，就近选刀指令， 主轴刀具与刀库内刀具交换指令。 （1） 设定刀具号 向刀库中的 R10700 ～ R10779 顺序写入刀具号，指令见图 3。
的数据做环形移动，就相当于住进了环形客房的客 人全体顺时针或逆时针移动。一般设定指针为 0，即 采用 R10700 为换刀点，R10700 的数值就表示了换 刀位置中的刀具号。使用该指令的主要目的就是要 获得在换 刀 位 置 的 刀 具 号———即 当 前 刀 号。 当 前 刀 号是换刀动作所必须的数据。指令刀号即 T 指令号 由 R536 中的数据表示，这是 NC 中已经规定了的。
bit1： 设定刀库从 1 还是 0 开始计数。
图 1 控制参数寄存器 R10600 的定义 bit3： 对各刀具库的设定。 bit3 = 0，刀库数固定设置。即系统内固定设定 有刀库 3 个，每个刀库内固定设定刀具数为 120，刀 具总数可达 360。 bit3 = 1，可设定的刀库数 = 5，每一刀库内的刀 具数可以任意设定。刀具总数可达 360 （ 一般选择 bit3 = 1，因为其刀库内的刀具数可以任意设定，大 多数刀库的刀具数为 20 ～ 30）。 R10610： 每一刀库内的刀具数，也就是每一刀 库内有几把刀，这是一重要参数。 R10620： 主轴刀具号。该 R 寄存器存放主轴刀 具号，经 设 置 后 可 以 在 屏 幕 上 观 察 到 “主 轴 刀 具 号”。 R10621： 设置待机刀具号。 R10603： 刀具库工作画面的显示内容。 以上寄 存 器 可 以 认 为 是 一 实 际 刀 具 库 的 参 数， 必须在 PLC 程序中予以设置。 （2） 刀库用特殊寄存器的设置 如图 2 所示， 通过编制 PLC 程序进行刀库用特殊寄存器的设置。 经过以上设置后，在刀库工作画面就可以观察 到一刀具库，特别是每一刀位内的刀具号，而且在 内置刀库内是以固定的 R 寄存器存放每一刀号。在 三菱 M70 数控系统中，以 R10700 ～ R10779 代表每一 刀位，而其中的数据就是刀具号。一般设置指针 = 1，以 R10700 为换刀位置。以图 2 设置的 20 把刀的
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图 2 对内置刀库的设置 刀 库 为 例， R10700 ～ R10719 为 1 ～ 20 号 刀 位， R10700 为换刀位置。对于机械手刀库而言，R10700 ～ R10779 代表刀库的固定刀位，所以 R10700 内的 数据就是换刀所需要的数据，即换刀点位置刀具号。
经过以上处理，获得了换刀位置的刀号数据和 指令刀号的刀号数据，这就可以进行比较，以获取 停止旋转条件。
（3） 就近选刀 即按最短的行程旋转刀盘。在 编制 PLC 程序时，核心就是选刀，即发一个选刀指 令，驱动刀库正向或反向旋转，直到换刀位置刀号 与所选刀号相等，才使刀盘停止旋转，执行后续的 换刀动作。
图 3 一次写入全部刀具号指令 图 3 所示是一次性向刀库中的所有刀位写入刀 具号的指令。该指令为 11 号专用指令，通常用于刀 库的初始化。 （2） 刀盘正反转指令 刀盘正反转指令模拟了 实际刀盘的正反转。该指令一般由刀库内计数器的 正反转脉冲所驱动，这样在屏幕上可以观察到刀盘 的正反转。如图 4 所示。
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机械手刀库换刀宏程序的开发及调试
武汉兴东机电设备工程公司 （ 湖北 430070） 黄 风
1. 机械手刀库的工作特征 机械手式刀库是数控加工中心使用的主要刀库 类型。其特点是刀库可装刀具多 （ 很多链式刀库也 可归入此类型） ，换刀速度快，换刀时间短，这是斗 笠式刀库无法相比的，所以机械手刀库在中高端加 工中心中得到广泛应用。近年来也开始应用于一般 的加工中心。机械手刀库的换刀动作与斗笠式刀库 不同，斗笠式刀库换刀后，刀套号始终与实际刀具 号相同。而机械手刀库经过多次换刀后，刀套号与 实际刀具号不相同，在 PLC 程序中其识别刀号要复 杂得多。 笔者在调试基于三菱 M70 数控系统配机械手刀 库的加工中心过程中，研究开发了机械手刀库的换 刀宏程序和相应的 PLC 程序。本文将介绍应用三菱 专用 ACT 指令开发机械手刀库换刀程序的关键技术。 2. M70 数控系统内置刀库的设置 为了在数控系统显示屏幕上能观察到刀库的运 动和刀具号的变化，必须使用数控系统内置的虚拟 刀库功能。 在三菱 M70 数控系统中有内置虚拟刀库的功能， 该虚拟刀库可以模拟外部实际刀库的动作，其优越 性是在显示屏上可以观察到刀库的正反转和各刀位 内的实际刀具号，也可以观察到主轴上的刀具号以 及需要更换的下一刀具号。 （1） 刀库用特殊寄存器的功能 在使用内置刀 库之前必须进行必要的设置。三菱 M70 数控系统中 规定了一些固定的文件寄存器 （ 以下称 R 寄存器） 用以表征刀库的基本性能，这些 R 寄存器的功能如 下。 R10600： 刀库基本控制参数。如图 1 所示。 bit： 设定刀号长度，是 T4 还是 T8，一般选择 T4。
5. 刀套号与实际刀具号的关系 一般的机械手刀库在每一刀套上都有标记、有 刀套号，而且是按顺序排列的。机械手刀库只在初 始化时，其刀套号和实际刀具号相同。经过多次换
刀后，由于主轴刀号被交换进来，刀套号和实际刀 具号已经不相同。但加工中心的操作者还是要求快 速查看实际刀具的位置，即刀套中的实际刀具。
在实际的 PLC 程序中作如下处理： 制作一环形计数器 （0 ～ n － 1，其中 n 为刀库中 的刀具数），用刀库计数器信号驱动 （ 刀库计数器信 号也驱动刀盘运动指令） 。这样环形计数器内的数值 就表示了刀套号的实际运动位置 （ 相对于 R10700 起 始的固 定 指 标 ） 。 将 环 形 计 数 器 内 的 数 值 送 入 指 针 R10615，在三菱 CNC 的刀库工作画面中，刀套编号 就与实际刀具号实际对应起来，这样可以方便地查 看实际刀具。 但是将环形计数器内的数值送入指针 R10615 的 时机有限制，不能用常 ON 信号，因为指针的数值变 化会影响其他专用换刀指令的执行。 6. 刀库调试必须注意的问题 （1） 刀库的初始化 初始状态为主轴刀号为 0 号刀，刀盘按当前刀位为 1 号刀顺序装刀。 必须在 PLC 程序中预先用开关信号做刀库初 始化，设置当前位置刀号和主轴刀号，如图 3 所 示。 （2） 在选刀及换刀宏程序中，必须做刀号比较 判断及足够的安全保护条件。 （3） 刀库计数脉冲的使用 刀库制造厂家一般 在刀库上配有计数器，用以计数刀库的旋转。在调 试刀库 时 发 现，即 使 在 手 动 状 态 下 发 刀 库 旋 转 指 令，刀库总是不能停止在正确位置上，是什么原因 呢？ 经过仔细观察刀库的动作，发现当刀库计数接 近开关的红灯熄灭时，刀库才进入刀位的正确位置。 因此必须用计数接近开关脉冲的下降沿做停止条件。 在 PLC 中改用下降沿脉冲后，果然能正确定位。也 有刀库计 数 器 是 使 用 脉 冲 的 上 升 沿 做 停 止 条 件 的， 要根据实际情况确定。 （4） 位置开关的使用 为了保护刀库的安全 工作，充分利用了 M70 系统所具有的位置开关功 能。即可以通过参数在 Z 轴上设定位置开关，位 置开关的位置区域就是 Z 轴的换刀点。只有 Z 轴 进入该位置区域，位置开关 = ON，刀库才能前进 卡刀。
（4） 刀具交换指令 在机械手刀库中，有一个 重要的动作是换刀，即将主轴上的刀具与刀库换刀 位的刀具交换。三菱 CNC 系统有一专用的 3 号指令 来表示这一动作。
使用这一指令首先必须设置需要交换刀具的 R 寄存器号 （一般是主轴刀具 R10620） 以及刀库指针 R10615 （一般设定 R10615 = 0）。这样该指令的实际 动作就是将主轴刀具号 （ R10620 中的数据） 与刀库 中 R10700 中的刀具数据相交换。同时必须注意该指 令的触发条件必须与实际换刀过程相一致。笔者编 制的程序是用 “主轴换刀完成” 信号来作为该指令 的触发条件。如图 5 所示。