矢量位置控制變頻器換刀系統分析

王雷

（利勃海爾（中國）有限公司，上海 200120）

加工中心的刀庫換刀系統是加工中心的一個主要特點，而加工中心在實際運轉過程中刀庫系統的故障率是比較高的，根據資料統計，加工中心的故障中，刀庫換刀系統的問題占了60%，因此真正領會編程設計人員的思路，深入分析刀庫系統的選刀換刀過程，熟悉信號與數據的傳遞路徑，是高效快速準確的解決問題的關鍵，也是擺在維修人員面前的一個迫切的問題。MAZAK FF-660 臥式高速加工中心采用FANUC 18IM 數控系統并且以內置FANUC PMC RB6 作為邏輯控制工具，它通過 接受面板控制信號實現機床控制、機床外部開關量檢測、輸出信號控制、伺服使能、報警處理，數據處理，數據通訊等功能實現刀庫選刀與換刀的控制。下面將對此問題進行具體的闡述。

1 刀庫換刀系統硬軟件及執行過程

MAZAK FF-660 加工中心刀庫換刀系統包括的主要硬件有FANUC PMC、矢量位置控制變頻器、刀庫、滑座（又稱中間套）、ATC 換刀臂以及刀庫電機，軟件隨機還刀選刀程序。

1.1 硬件結構

FANUC 數控系統采用FANUC 18I-M 數控系統，它能通過CNC、PMC、MMC 機床外部信號之間的數據通訊實現加工程序與PMC 程序之間的互動、調用與配合，實現選刀、還刀、刀具交換以及信號的交換傳遞。

FANUC PMC 是采用FANUC PMC RB6 型控制器，主要作用是對刀庫換刀動作順序編程，并進行數據的傳輸。最大編程步數達到32000，I/O 點最多分別可以使用1024 個，內部繼電器可使用容量為3200BYTE，計數器200BYTE，計時器300BYTE，保持繼電器50BYTE，數據表8000BYTE，子程序2000 個，它的功能十分強大，可以實現數據的讀、寫、傳遞、搜索、比較、邏輯運算和賦值等。

矢量位置控制變頻器是日本安川電機生產的一種簡易位置控制裝置，與普通的變頻器不同的是，它既有普通變頻器的速度控制又有位置控制，通過速度環控制刀庫轉速，通過位置環控制刀庫位置，而不是在PMC 中進行位置環編程來控制刀庫位置，這就提高了換刀的速度。它能接收FANUC PMC發出來的控制字，也可以同時向PMC 發送狀態字，從而實現了與FANUC PMC 之間的通訊。它能比較PMC 發出的位置指令信號（控制字），和刀庫電機的絕對位置編碼器反饋的當前位置信號，當二者相等時，發出COIN 信號和當前位置信號（狀態字）給PMC，告訴PMC 刀庫已經按照位置指令旋轉到了指定的位置，從而通過控制刀庫旋轉電機的角度，來間接控制刀庫的位置，從控制方式的角度來說是一種半閉環絕對位置控制系統。

刀庫按照刀庫結構分鏈式刀庫和盤式刀庫，刀庫按其容量可分為16、24、32 把刀三種，在同一種刀庫結構類型下，可以通過設定PMC 參數來定義刀庫的最大容量，例如，在MAZAK FF-660 中可以通過設定K1.0、K1.1 和K1.2 三個參數來定義不同的刀庫容量，它們的狀態組合如表1 所示。

表1

滑座（又稱中間套）是刀庫與ATC 換刀臂之間傳遞刀具的部件，它有一個能伸縮的刀套，通過伸縮實現刀具在其上的裝載和卸載，整個功能由四個動作組合而成，即滑座運動到刀庫側伸縮進行取刀和送刀，滑座運動到ATC 換刀臂側伸縮進行取刀和送刀。這樣就實現了刀具在刀庫與ATC 換刀臂之間的傳遞。

ATC 換刀臂是實現主軸與滑座之間刀具交換的部件，主要由伸縮、旋轉等動作組合而實現刀具的交換，其中刀臂的伸縮由汽缸帶動，機械手的旋轉由變頻器控制，在有刀和無刀時的旋轉速度是不一樣的，這使得換刀動作更加安全、可靠、高效。

刀庫電機：X3000 型飼服電機，帶絕對式光電編碼器。

1.2 隨機還刀選刀程序的執行過程

1.2.1 隨機還刀選刀程序構成

目前加工中心的換刀程序一般都采用隨機還刀選刀程序，只有當它的正常運轉出現問題，而又不能短時間內解決時，才臨時使用固定地址還刀選刀程序。它們之間的切換可以通過改變PMC 參數K8.7 的0 和1 狀態來實現。

為更好地理解隨機還刀選刀程序，首先要說明一下數據表，數據表是在PMC 非易失性存儲器中開辟的一段存儲空間，用來保存大量數據，如刀庫自動轉盤中的刀具號等，數據表中的數據可通過數據搜尋（DSCHB）或數據檢索與傳送（XMOVB）等功能指令來簡單的實現讀寫和檢索。便于PMC 順序程序的尋址和讀寫，即使斷電的情況下也不會丟失其中的內容。

隨機還刀選刀程序的特點是每次主程序執行時都要調用幾個子程序，在子程序中又調用子程序。這幾個子程序分別是P147 自動換刀子程序、P221 搜索數據表子程序、P222 讀數據表子程序、P223 寫數據表子程序、P100 刀庫子程序。

P147 的作用是執行還刀時刀庫刀套號的搜索、選刀時刀庫刀套號的搜索、刀庫的選刀定位、新舊刀號的交換、舊刀號寫入數據表、新刀號從數據表中讀出等功能。

P221 作用是還刀時搜索刀庫中空刀套位置，選刀時搜索新刀號在刀庫中的位置，它的執行是通過搜索數據表完成的。

P222 的作用是將新刀號從數據表中讀出。

P223 的作用是把還回刀庫的舊刀刀號寫入數據表中相應的位置。

P100 的作用是刀庫的旋轉定位，以及讀取新刀刀號。

在調用子程序過程中反復用到以下幾個PMC 功能指令：

（1）DSCHB（二進制數據檢索指令）指令。

它的作用是在數據表中搜索參數規定的檢索數據地址內的數據，如果搜索到該數據，則將該其所在的地址送入檢索結果輸出地址中。

DSCHB 指令在P221 數據搜索子程序中的一個作用是還刀，還刀時搜索0 號刀（空刀）所在的數據表中的地址，即搜索空刀套。如果搜索指令輸出為0 則找到該地址，將該地址傳入刀庫刀套命令，刀庫按照此命令旋轉，將空刀套轉到還刀位置等待滑座還刀。

DSCHB 指令在P221 數據搜索子程序中另一個作用是選刀，選刀時在數據表中搜索指令規定的刀號，如果搜索指令輸出為0 則找到存儲該刀號的地址，將該地址傳入刀庫刀套命令，該刀套號就是刀庫即將旋轉的位置，PMC 將改刀套號傳給變頻器，變頻器旋轉，同時變頻器得到刀庫旋轉電機編碼器反饋回的位置數據，變頻器比較這兩個數據，當兩個數據相等時，發出COIN 信號給PMC 的X0.0 輸入，PMC 得到該輸入信號后，比較先前發出的刀庫位置指令與變頻器的反饋

回的是否一致，如果一致，進入下一個動作。

（2）XMOVB（二進制變址數據傳送指令）指令。

它的作用主要是按照表內號地址中的數據，在數據表中找到相應的地址，并且將I/O 數據存儲地址中的信息寫入該地址中，或者將該地址中的信息讀出到I/O 數據存儲地址中。

XMOVB 指令在P223 寫數據表子程序中的作用是還刀時，將還回刀庫的刀具代碼寫入數據表中的相應的地址中去，即記憶刀具在刀庫中的位置。

XMOVB 指令在P222 讀數據表子程序中的作用是取刀時,從該刀具代碼所在的數據表地址中取出該刀具代碼，即從已經到達取刀位置的刀庫刀套中將刀具代碼讀出來。

除了上面的兩種功能指令外，還有ADDB（二進制加法運算指令）指令、SUBB（二進制減法運算指令）指令、MOVN（傳送任意數目的字節指令）指令、NUMEB（定義二進制常數指令）指令和COMPB（二進制數值大小判別指令）指令等一些我們熟知的指令。

1.2.2 數據表地址內數據置0

隨機還刀選刀的主要特點是向刀庫還回舊刀具時，必須尋找刀庫的空刀套，即在數據表中搜索被預先設置為零的地址。數據表中的地址D1-D32（以32 把刀刀庫為例）是與刀庫上面的刀套號一一對應的，而這些地址內的數據又與刀庫刀套里面刀具號一一對應，這樣只要通過軟件找到數據表中數據為零的地址，就找到了刀庫中沒有刀的空刀套，再通過硬件使刀庫旋轉找到對應的刀套位置，把舊刀放入該空刀套內，這樣將舊刀還回刀庫的過程就完成了。

通常情況下，數據表中地址內數據置0 的過程是自動完成的，即當滑座從刀庫中取新刀后，程序自動將該刀號對應的數據表地址內的數據置為0。當然如果在刀庫實際使用的刀具數量小于刀庫最大容量時，也可以人為將空余不用的數據表D1-D32 中的地址設置為零，如果這樣設置后，這些空閑的刀套就有可能被用到，但是如果從機械磨損的角度來看，還是留下來做備用刀套比較合適。而且這樣設置還將導致整個換刀程序的延長，因為有可能增加了一個刀庫搜索的步驟。圖2 是程序調用分支結構圖。

圖1

圖2

2 結語

以FANUC PMC 為控制核心的MAZAK 加工中心刀庫自動換刀系統由兩套程序構成，分別為隨機還刀選刀程序和固定地址還刀選刀程序，本文僅介紹了固定地址換刀程序。這兩套程序在系統中的位置是并列的，即當其中的一套程序因為某種故障原因不能正常運行時，為了保證生產的進行，可以通過更改系統參數來應急啟動另外一套程序。在正常情況下一般都采用隨機還刀選刀程序，這是因為它比固定地址還刀選刀程序少了一個工作步驟，節省了加工時間，使效率得到提高。

在熟悉了兩種換刀程序的過程和信號流程后，我們在維修刀庫系統時就可以有目標的檢查硬件軟件，根據外部的各種信息來深入的探索故障發生的內因，這樣就做到了有的放矢，可以提高工作效率。