基于FANUC 0i系统加工中心换刀中断故障自动恢复方法的研究

范芳洪

（湖南铁道职业技术学院机电系，株洲 412001）

0 引言

机械手圆盘式刀库换刀速度快、换刀稳定，在数控加工中心上应用越来越广泛。在自动换刀过程中由于突发事件按下复位、急停开关或气压不足等某些原因会使换刀强行终止，这样机械手和刀套就会停止在随机位置，刀库表的数据往往也会发生错乱。恢复刀库时既要复位机械手和刀套到原位，确保刀库表[1]的数据准确，还要操作简单、安全、可靠。

1 问题的提出

在刀库换刀中断情况下，只有将机械手、刀套恢复到初始位置才能使机床正常工作。常用的方法有两种，一种是传统的恢复方法，通过手摇机械手电机使机械手回到原点位置（通过机械手原点位置开关的信号来确认），和手按电磁阀使刀套回到原位（通过刀套原点位置开关的信号来确认），这种恢复的方法麻烦，需要两个人来配合完成，不但费时费力，影响加工效率，而且容易发生碰撞事故存在安全隐患。另外一种方法是有些机床生产厂家在操作面板上设置了机械手臂单步按钮和刀套翻下/翻上按钮，在手动方式下通过这两个按钮能使机械手和刀套回到原位，但当换刀终止在机械手已扣刀还没有拔出刀时只能用用第一种方法回原位。这两种方法使机械手、刀套回原位后都要手动修改刀库表，使刀库表里的刀具号和刀库实际刀套的刀具号一致，否则，换刀时会乱刀，引起事故。修改刀库表如果不注意很容易出错，轻则出现新的故障扩大了故障范围，重则数据紊乱导致机床瘫痪，存在很大的风险。可靠、安全、操作简单的换刀中断故障恢复的方法，不仅操作人员可以快捷地将刀库恢复正常，也减少了故障停机时间提高机床的利用率[2]。

下面以FANUC 0i MD系统的加工中心机械手圆盘式刀库为例，介绍一种安全可靠的换刀中断故障自动恢复的实现方法。

2 机械手圆盘式刀库换刀的流程图

机械手圆盘式刀库采用就近选刀、随机换刀[3]，换刀之前要设置好刀库表，刀库表是PMC数据存储区的一张单元表格，用来记录刀库刀套内的刀号信息，表中存储单元地址和刀库中的刀套号一一对应，存储单元的内容就是相对应刀套内的刀具号。当程序的目标刀号发出后，先判断目标刀号是否合法（刀号不能大于刀库中刀套的数量），不合法中断换刀并发出报警，再判断目标刀号是否是主轴上，在主轴上就不需要换刀。如果需要换刀首先根据刀库表所记录的刀具号和刀套号的对应关系检索出对应的刀套号，然后根据目标刀套号和当前位的刀套号计算出刀库的旋转方向和旋转步数并驱动刀库电机旋转，当当前刀套号和目标刀套号一致时停止刀库电机，主轴准停、Z轴回换刀位，启动机械手交换刀具。当刀具交换完成后，更新刀库表，刀库表的更新就把刀库表里的主轴上刀号和当前刀套位的刀号相互交换，完成整个换刀。换刀的流程图如图1所示。

图1 机械手圆盘式刀库换刀流程图

3 恢复刀库主要解决的关键问题

刀库换刀各个动作是一环扣一环的顺序逐步完成，只有前一个动作确认完成后，才能进行下一个动作，从而保证了运动的可靠性。刀套的回位只有在机械手完全回原位后才能进行，刀库表的自动更新一般在刀套自动归位后来完成，因此，只要记住刀库换刀中断时机械手的位置即可完成刀套原位的恢复和刀库表的自动更新。这样需要解决的问题可以归结为以下两点：

图2 标记监控流程图

1）要确定刀库换刀终止时机械手停止的位置，再将机械手恢复到原位。

2）恢复机械手时刀库表能够自动更新，要确保刀库数据的准确。

4 刀库自动恢复方法的提出

刀库自动换刀实质就是在执行调用的换刀宏程序[4]，程序号由设计者自行来设定，一般为9000号以后的程序号，换刀过程中按复位或其它原因停止自动换刀的过程就是使换刀宏程序没有被执行完整而中途停止了。此时，只要能确定并记忆换刀宏程序中断的位置，并将没有执行的程序调用执行，通过这种方式使中断后的换刀宏程序继续执行下去直到整个换刀过程正常结束，这样就可以实现刀库换刀中断的自动恢复。

5 换刀中断刀库自动恢复方法的设计

5.1 标记代码的换刀宏程序和恢复子程序的设计

为了确定换刀宏程序中断的位置，在换刀宏程序中的机械手可能停止的程序段之间加入标记代码[5]，标记代码可以是M辅助代码，再通过对标记的实时监控就能知道程序停止的准确位置。加入标记的换刀宏程序如下。

在换刀宏程序中刀套翻下、机械手扣刀、主轴松刀、机械手交换刀具、主轴紧刀、机械手回原位、刀套翻上这些动作用都是用M辅助代码通过PMC控制程序[6]实现的，在这些M辅助代码后各加了一条标记。在每个标记代码下设置了一个恢复子程序，恢复子程序号为O9021——O9027，恢复子程序就是换刀宏程序中没有被执行的程序。例如：程序停止在M77时，恢复子程序就为O9021，程序内容如下：

其余的恢复子程序参照子程序O9021来编写。

5.2 设置刀库自动恢复功能键

换刀中发生中断，宏程序终止，机械手和刀套不在原位，为了防止发生碰撞事故电气设计上把机械手、刀套原位信号作为程序自动运行的互锁信号[7]，机械手和刀套不在原位时程序不能自动执行。为了恢复子程序的执行，需要屏蔽机械手、刀套原位互锁信号，使机械手在换刀中任何位置都能自动执行恢复子程序。因此设计了一个“刀库自动恢复功能键”，按下该键时屏幕上会显示“刀库自动恢复正在进行”的提示，同时按钮上的指示灯亮，机械手、刀库原位互锁信号不起作用，刀库恢复完成后，再按下该键，屏幕上的提示信息消失，互锁信号有效。机床操作面板上一般有厂家预留备用按钮，因此可以不增加按钮，利用面板上一个备用按钮做“刀库自动恢复功能键”。

5.3 标记监控程序的设计

标记监控程序[8]就是在换刀过程中通过对标记M辅助代码的执行情况从而判断出换刀宏程序终止的位置的PMC程序，当换刀中断时，标记监控程序能够指出程序中断的位置，并发出报警信息，提示用户执行相应的恢复子程序，标记监控程序的流程图如图2所示。

6 刀库自动恢复方法的应用

假设程序停止在M77时，M90（标记1）已被执行而M91（标记2）没有被执行。标记监控程序比较M90和M91的执行情况，就可以知道程序停止在M77。此时发出报警信息，提示用户执行恢复子程序O9021来恢复刀库。这时操作者先按下“刀库自动恢复功能键”，解除程序自动运行的机械手、刀套原位互锁信号，然后调用并执行恢复子程序O9021，机械手和刀套自动回原位，刀库表的数据也自动更新了。自动恢复完毕后，再按一次“刀库自动恢复功能键”使程序自动运行的互锁信号生效。

7 结论

用在换刀宏程序加标记和执行恢复子程序来自动恢复刀库中断故障的方法的优点是编程简单，安全、可靠。因为不对原刀库的PMC程序做修改，只是增加标记监控PMC程序和增加恢复子程序即可，所以就避免了修改原刀库PLC程序的风险和降低了编程的难度。刀库表能自动更新保证了刀库表数据的正确，避免手动修改刀库表数据出错引起的机床故障。该方法操作简单，操作人员根据提示能较快的恢复刀库，同时也可以减少机床事故的发生，提高了机床的可靠性；对同行的技术人员也有一定的借鉴作用。

[1]FANUC0i数控系统PMC编程说明书[Z].

[2]曹健.加工中心自动换刀过程中断恢复功能的设计及实现[J].制造技术与机床,2009(09)：125-125.

[3]牛军燕.顾寄南.基于PLC的自动换刀系统研究[J].制造业自动化,2010(06)：35-36.

[4]FANUC0i数控系统加工中心编程说明书[Z].

[5]周炳文.实用数控机床故障诊断及维修技术500例[M].中国知识出版社,2006,8.

[6]FANUC系统刀库典型PMC程序[Z].

[7]刘本锁.数控机床故障分析与维修实例[M].冶金工业出版社,2008,6.

[8]朱自勤.数控机床电气控制技术[M].中国林业出版社,2006,1.