盘式刀库随机换刀的程序设计(FANUC系统)

关键字：自动刀具交换装置（ATC）；随机换刀；数据刷新；

摘要：采用PLC控制程序和宏程序（固定换刀循环程序）组成的两部分完成复杂的刀库随机换刀控制程序是比较有效的方法。

机床是制造机器的机器，机床工业的技术水平决定着装备制造业乃至整个国民经济的技术水平。马克思在《资本论》中有一段论述："大工业必须掌握这特有的生产资料，即机器的本身，必须用机器生产机器。这样，大工业才能建立起与自己相应的技术基础，才得以自立"。我国数控技术及其数控机床设备在各工业部门中应用的整体水平与工业发达国家相比还有一定差距。为了实现"十一五"规划的发展目标，进一步发展我国的装备制造业，加快机床的数控化，对各行各业尤其对于加工批量零件、关键零件和形状复杂零件的行业，如航空、电力、船舶、模具制造业等都具有十分重要的意义。

数控机床尤其是加工中心的PLC控制程序设计是比较复杂的。因为加工中心自动换刀的控制程序是一个比较复杂的控制过程。按自动换刀方式通常可以分为随机换刀和固定换刀两种方式。如图1，圆盘式刀库是ATC随机换刀典型的形式之一。其换刀机构（ATC）通过凸轮机构来完成整个换刀过程。换刀的动作过程准确可靠，是一种被经常采用的刀库。

在链式、盘式或箱式刀库程序设计时，通常可以将刀具交换

分为两个步骤，T命令主要完成搜索刀库中的刀具，M命令

完成刀具的交换，使主轴上更换新的刀具。因此，刀具交换

实际上就是指搜索和交换目标刀具。随机换刀是一个非常复

杂的逻辑控制过程。它只对刀具进行编码而不对刀套进行编

码，刀具在刀库中的位置是随机的。理想的随机换刀控制通

常包括圆盘式刀库PLC控制程序和宏程序（固定循环换刀

程序）两部分组成。PLC控制程序根据T码完成搜索刀库中

的刀具，NC宏程序完成刀具交换的整个过程。

1随机换刀PLC程序设计

以XH716加工中心（FANUC 数控系统）圆盘式刀库为例，刀库刀具交换的PMC控制程序设计主要考虑搜索目标刀具在刀库上的刀套位置、大小刀具管理和判别、刀库旋转方向（目标刀套最短路径）的判别、刀具数据的刷新和管理以及可预选刀具（主要为了可以缩短换刀时间），从而完成目标刀具的搜索，为刀具交换作准备。无论是西门子（SIEMENS）数控系统还是发那科（FANUC）数控系统，它们接受的T码都是二进制数据格式。因此在着手编制刀库PLC控制程序时首先考虑好选用功能指令的数据格式。这样就能保证正确选用功能指令，避免功能指令数据格式的不一致性。

PMC有很多类型，如SA1 、SB7等，要正确理解PMC已有的回转控制如图2、数据检索如图3、逻辑乘如图4和变址修改如图5等功能指令的用途，充分掌握合理应用数据检索指令完成对目标刀具所在刀套号的搜索；用回转控制指令解决刀库旋转最短路径的判别；用逻辑乘和变址修改指令完成刀具交换后的数据刷新；用比较指令解决大小刀具的判别，这样就可以比较容易简化

一些复杂的判别和逻辑控制的程序。同时PMC控制程序还必须考虑一些必要的报警提示信息和必要的互锁条件：比如机械手不在原位Z轴必须锁住；刀套翻下时刀库不得旋转；主轴刀具未松开机械手不得交换等。随机换刀要防止杜绝发生刀具交换不正确的乱刀现象，否则会发生由于刀具选错而使加工工件报废的可能。

2 NC 宏程序

NC宏程序可以进行赋值、判断、比较、跳转、各种运算和轴运动指令。FANUC 0i数控系统系列的NC宏程序可以通过读取、运用系统变量( G54.0-G55.7对应的变量号：#1000-#101 5；)将PMC程序中大小刀具交换的条件状态位作为换刀宏程序判断跳步执行的条件，通过用户宏程序和PMC之间的信号应答，非常容易地实现了大小刀具的随机换刀；通过对机床数据的设定可以非常容易地使得轴移动到固定换刀点；可以定义不同的M 辅助功能代码与PMC控制程序有机结合激活每一步换刀动作，整个换刀执行过程之间的复杂关系就十分简单明了。使用系统变量和机床参数不仅是一个非常有效简捷的方法，而且可以简化PMC控制程序设计，最终共同完成复杂的刀具交换的过程。

下面是以XH716/XH718加工中心（FANUC 数控系统）为例的随机换刀宏程序

09002

N010 #101=#4001 (存储当前G00/01/02/03状态) ;

N020 #102=#4002 (存储当前G17/G18/G19状态) ;

N030 #103=#4003 (存储当前G90/91状态) ;

N035 IF[#1001 EQ 1] GOTO 270 ；#1001：FANUC 系统变量号，对应PMC G54. 1

N060 G91G30 P2 Z0 M19 ；Z到第一换刀点, 参数#1241, 主轴定位,参数#407 7

N070 M87 ；进入换刀模式

N080 M80 ；刀套倒刀

N090 G04 X1 ；延时

N100 M82 ；ATC扣刀

N110 M83 ；主轴松刀

N120 M84 ；ATC交换刀具

N125 M85 ；主轴紧刀

N130 M86 ；ATC回原位

N140 M81 ；刀套回刀

N145 IF [#1000 EQ 0] GOTO 250 ；#1000：FANUC 系统变量号，对应PMC 54. 0

N150 #4=#4120 ；# 4120:FANUC 模态信息的系统变量号,读入的T码赋给# 4

N160 T#4 ；将赋给#4的T码再赋给T

N180 M80 ；刀套倒刀

N190 G04 X1 ；延时

N200 M82 ；ATC扣刀

N210 M83 ；主轴松刀)

N220 M84 ；ATC交换刀具

N225 M85 ；主轴紧刀

N230 M86 ；ATC回原位

N240 M81 ；刀套回刀

N250 G#101 G#102 G#103 ；恢复G代码

N255 M88 ；换刀结束

N260 M99; ；子程序返回

N270 #3000=1 ；#3000:FANUC 宏报警系统变量号显示屏显示M6 WITHOUT T CO DE

N280 M99 ；子程序返回

根据系统变量[#1000]的状态，当[#1000 EQ 0]时完成对小刀与小刀或大刀与大刀的一次交换；当[#1000 EQ 1]时完成对小刀与大刀或大刀与小刀的二次交换，因为该盘式刀库机械手拔刀到位时无检测信号装置。宏程序中的主轴准停位置、换刀固定点无论是FANUC数控系统还是SIEMENS数控系统都可以通过机床参数进行设定。

3结束语

随机换刀的控制过程是比较复杂的。将宏程序与PLC程序有机结合使得机床的换刀过程控制更为方便、简捷。PLC控制程序设计没有固定的模式。参考吸收他人好的设计思路，经过自己的理解动手编制，并在数控机床上通过调试才会有更深刻的体会。

参考文献

[1]吴祖育，秦鹏飞主编.数控机床.上海科技出版社,2000.

[2]北京发那科编译. FANUC-梯形图语言编程说明书.

2007-11-9来源：《现代模具》作者：上海第三机床厂陈贤国