矢量位置控制变频器换刀系统分析

王雷

（利勃海尔（中国）有限公司，上海 200120）

加工中心的刀库换刀系统是加工中心的一个主要特点，而加工中心在实际运转过程中刀库系统的故障率是比较高的，根据资料统计，加工中心的故障中，刀库换刀系统的问题占了60%，因此真正领会编程设计人员的思路，深入分析刀库系统的选刀换刀过程，熟悉信号与数据的传递路径，是高效快速准确的解决问题的关键，也是摆在维修人员面前的一个迫切的问题。MAZAK FF-660 卧式高速加工中心采用FANUC 18IM 数控系统并且以内置FANUC PMC RB6 作为逻辑控制工具，它通过 接受面板控制信号实现机床控制、机床外部开关量检测、输出信号控制、伺服使能、报警处理，数据处理，数据通讯等功能实现刀库选刀与换刀的控制。下面将对此问题进行具体的阐述。

1 刀库换刀系统硬软件及执行过程

MAZAK FF-660 加工中心刀库换刀系统包括的主要硬件有FANUC PMC、矢量位置控制变频器、刀库、滑座（又称中间套）、ATC 换刀臂以及刀库电机，软件随机还刀选刀程序。

1.1 硬件结构

FANUC 数控系统采用FANUC 18I-M 数控系统，它能通过CNC、PMC、MMC 机床外部信号之间的数据通讯实现加工程序与PMC 程序之间的互动、调用与配合，实现选刀、还刀、刀具交换以及信号的交换传递。

FANUC PMC 是采用FANUC PMC RB6 型控制器，主要作用是对刀库换刀动作顺序编程，并进行数据的传输。最大编程步数达到32000，I/O 点最多分别可以使用1024 个，内部继电器可使用容量为3200BYTE，计数器200BYTE，计时器300BYTE，保持继电器50BYTE，数据表8000BYTE，子程序2000 个，它的功能十分强大，可以实现数据的读、写、传递、搜索、比较、逻辑运算和赋值等。

矢量位置控制变频器是日本安川电机生产的一种简易位置控制装置，与普通的变频器不同的是，它既有普通变频器的速度控制又有位置控制，通过速度环控制刀库转速，通过位置环控制刀库位置，而不是在PMC 中进行位置环编程来控制刀库位置，这就提高了换刀的速度。它能接收FANUC PMC发出来的控制字，也可以同时向PMC 发送状态字，从而实现了与FANUC PMC 之间的通讯。它能比较PMC 发出的位置指令信号（控制字），和刀库电机的绝对位置编码器反馈的当前位置信号，当二者相等时，发出COIN 信号和当前位置信号（状态字）给PMC，告诉PMC 刀库已经按照位置指令旋转到了指定的位置，从而通过控制刀库旋转电机的角度，来间接控制刀库的位置，从控制方式的角度来说是一种半闭环绝对位置控制系统。

刀库按照刀库结构分链式刀库和盘式刀库，刀库按其容量可分为16、24、32 把刀三种，在同一种刀库结构类型下，可以通过设定PMC 参数来定义刀库的最大容量，例如，在MAZAK FF-660 中可以通过设定K1.0、K1.1 和K1.2 三个参数来定义不同的刀库容量，它们的状态组合如表1 所示。

表1

滑座（又称中间套）是刀库与ATC 换刀臂之间传递刀具的部件，它有一个能伸缩的刀套，通过伸缩实现刀具在其上的装载和卸载，整个功能由四个动作组合而成，即滑座运动到刀库侧伸缩进行取刀和送刀，滑座运动到ATC 换刀臂侧伸缩进行取刀和送刀。这样就实现了刀具在刀库与ATC 换刀臂之间的传递。

ATC 换刀臂是实现主轴与滑座之间刀具交换的部件，主要由伸缩、旋转等动作组合而实现刀具的交换，其中刀臂的伸缩由汽缸带动，机械手的旋转由变频器控制，在有刀和无刀时的旋转速度是不一样的，这使得换刀动作更加安全、可靠、高效。

刀库电机：X3000 型饲服电机，带绝对式光电编码器。

1.2 随机还刀选刀程序的执行过程

1.2.1 随机还刀选刀程序构成

目前加工中心的换刀程序一般都采用随机还刀选刀程序，只有当它的正常运转出现问题，而又不能短时间内解决时，才临时使用固定地址还刀选刀程序。它们之间的切换可以通过改变PMC 参数K8.7 的0 和1 状态来实现。

为更好地理解随机还刀选刀程序，首先要说明一下数据表，数据表是在PMC 非易失性存储器中开辟的一段存储空间，用来保存大量数据，如刀库自动转盘中的刀具号等，数据表中的数据可通过数据搜寻（DSCHB）或数据检索与传送（XMOVB）等功能指令来简单的实现读写和检索。便于PMC 顺序程序的寻址和读写，即使断电的情况下也不会丢失其中的内容。

随机还刀选刀程序的特点是每次主程序执行时都要调用几个子程序，在子程序中又调用子程序。这几个子程序分别是P147 自动换刀子程序、P221 搜索数据表子程序、P222 读数据表子程序、P223 写数据表子程序、P100 刀库子程序。

P147 的作用是执行还刀时刀库刀套号的搜索、选刀时刀库刀套号的搜索、刀库的选刀定位、新旧刀号的交换、旧刀号写入数据表、新刀号从数据表中读出等功能。

P221 作用是还刀时搜索刀库中空刀套位置，选刀时搜索新刀号在刀库中的位置，它的执行是通过搜索数据表完成的。

P222 的作用是将新刀号从数据表中读出。

P223 的作用是把还回刀库的旧刀刀号写入数据表中相应的位置。

P100 的作用是刀库的旋转定位，以及读取新刀刀号。

在调用子程序过程中反复用到以下几个PMC 功能指令：

（1）DSCHB（二进制数据检索指令）指令。

它的作用是在数据表中搜索参数规定的检索数据地址内的数据，如果搜索到该数据，则将该其所在的地址送入检索结果输出地址中。

DSCHB 指令在P221 数据搜索子程序中的一个作用是还刀，还刀时搜索0 号刀（空刀）所在的数据表中的地址，即搜索空刀套。如果搜索指令输出为0 则找到该地址，将该地址传入刀库刀套命令，刀库按照此命令旋转，将空刀套转到还刀位置等待滑座还刀。

DSCHB 指令在P221 数据搜索子程序中另一个作用是选刀，选刀时在数据表中搜索指令规定的刀号，如果搜索指令输出为0 则找到存储该刀号的地址，将该地址传入刀库刀套命令，该刀套号就是刀库即将旋转的位置，PMC 将改刀套号传给变频器，变频器旋转，同时变频器得到刀库旋转电机编码器反馈回的位置数据，变频器比较这两个数据，当两个数据相等时，发出COIN 信号给PMC 的X0.0 输入，PMC 得到该输入信号后，比较先前发出的刀库位置指令与变频器的反馈

回的是否一致，如果一致，进入下一个动作。

（2）XMOVB（二进制变址数据传送指令）指令。

它的作用主要是按照表内号地址中的数据，在数据表中找到相应的地址，并且将I/O 数据存储地址中的信息写入该地址中，或者将该地址中的信息读出到I/O 数据存储地址中。

XMOVB 指令在P223 写数据表子程序中的作用是还刀时，将还回刀库的刀具代码写入数据表中的相应的地址中去，即记忆刀具在刀库中的位置。

XMOVB 指令在P222 读数据表子程序中的作用是取刀时,从该刀具代码所在的数据表地址中取出该刀具代码，即从已经到达取刀位置的刀库刀套中将刀具代码读出来。

除了上面的两种功能指令外，还有ADDB（二进制加法运算指令）指令、SUBB（二进制减法运算指令）指令、MOVN（传送任意数目的字节指令）指令、NUMEB（定义二进制常数指令）指令和COMPB（二进制数值大小判别指令）指令等一些我们熟知的指令。

1.2.2 数据表地址内数据置0

随机还刀选刀的主要特点是向刀库还回旧刀具时，必须寻找刀库的空刀套，即在数据表中搜索被预先设置为零的地址。数据表中的地址D1-D32（以32 把刀刀库为例）是与刀库上面的刀套号一一对应的，而这些地址内的数据又与刀库刀套里面刀具号一一对应，这样只要通过软件找到数据表中数据为零的地址，就找到了刀库中没有刀的空刀套，再通过硬件使刀库旋转找到对应的刀套位置，把旧刀放入该空刀套内，这样将旧刀还回刀库的过程就完成了。

通常情况下，数据表中地址内数据置0 的过程是自动完成的，即当滑座从刀库中取新刀后，程序自动将该刀号对应的数据表地址内的数据置为0。当然如果在刀库实际使用的刀具数量小于刀库最大容量时，也可以人为将空余不用的数据表D1-D32 中的地址设置为零，如果这样设置后，这些空闲的刀套就有可能被用到，但是如果从机械磨损的角度来看，还是留下来做备用刀套比较合适。而且这样设置还将导致整个换刀程序的延长，因为有可能增加了一个刀库搜索的步骤。图2 是程序调用分支结构图。

图1

图2

2 结语

以FANUC PMC 为控制核心的MAZAK 加工中心刀库自动换刀系统由两套程序构成，分别为随机还刀选刀程序和固定地址还刀选刀程序，本文仅介绍了固定地址换刀程序。这两套程序在系统中的位置是并列的，即当其中的一套程序因为某种故障原因不能正常运行时，为了保证生产的进行，可以通过更改系统参数来应急启动另外一套程序。在正常情况下一般都采用随机还刀选刀程序，这是因为它比固定地址还刀选刀程序少了一个工作步骤，节省了加工时间，使效率得到提高。

在熟悉了两种换刀程序的过程和信号流程后，我们在维修刀库系统时就可以有目标的检查硬件软件，根据外部的各种信息来深入的探索故障发生的内因，这样就做到了有的放矢，可以提高工作效率。