發(fā)那科系統(tǒng)加工中心伺服刀庫(kù)的應(yīng)用

深圳市拓智者科技有限公司 研發(fā)部 陳柯牟

一．伺服刀庫(kù)的優(yōu)勢(shì)

1.1使用范圍

普通加工中心一般配置機(jī)械手刀庫(kù)，又被稱為刀臂式刀庫(kù)或圓盤式刀庫(kù)。刀庫(kù)容量大致是16到32把。它適用于加工場(chǎng)景簡(jiǎn)單、無(wú)需高效率高精度的場(chǎng)合。機(jī)械手刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于操作，但是效率較慢。

伺服刀庫(kù)相比機(jī)械手刀庫(kù)更加復(fù)雜高效率，適用于大規(guī)模量產(chǎn)、刀具數(shù)量較多、需要頻繁更換刀具的加工場(chǎng)合，對(duì)于效率有著極致的要求。伺服刀庫(kù)通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)快速和精準(zhǔn)的刀具更換。伺服刀庫(kù)的適用范圍更廣，能夠完成更為復(fù)雜的加工任務(wù)。

1.2加工效率

機(jī)械手刀庫(kù)適用于簡(jiǎn)單加工、加工量較小、加工工藝簡(jiǎn)單、使用的刀具較少無(wú)需頻繁換刀的加工環(huán)境。由于機(jī)械手刀庫(kù)工作原理較為簡(jiǎn)單，刀具的更換和操作時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致其的加工效率較低，因此難以滿足大規(guī)模和復(fù)雜加工的加工場(chǎng)合。

伺服刀庫(kù)擁有極致的換刀速度，可以大幅提高生產(chǎn)加工效率。伺服刀庫(kù)通過(guò)內(nèi)裝有伺服電機(jī)、伺服控制器，可以實(shí)現(xiàn)刀具的迅速換位、精準(zhǔn)調(diào)整，擁有極快的選換刀速度，加工過(guò)程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、連續(xù)加工，大大提高了加工產(chǎn)能。伺服刀庫(kù)適用于大規(guī)模量產(chǎn)、刀具數(shù)量較多、需要頻繁更換刀具的加工場(chǎng)合，能夠高速、穩(wěn)定地完成各種加工生產(chǎn)部任務(wù)。

二．伺服刀庫(kù)的應(yīng)用

本例子以發(fā)那科系統(tǒng)配匯川刀倉(cāng)伺服24T刀庫(kù)為例，詳細(xì)說(shuō)明刀倉(cāng)伺服刀庫(kù)的PLC邏輯編寫。

2.1 伺服驅(qū)動(dòng)說(shuō)明

刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)器最多需要 I/O (12 In/8 Out )

模式組合輸出說(shuō)明

模式選擇-M0	模式選擇-M1	組合0	組合1	功能說(shuō)明
0	0	0	１	自動(dòng)分度模式
0	0	1	0	原點(diǎn)模式
0	0	1	1	緊急停止
0	1	1	0	手動(dòng)單刀正轉(zhuǎn)
0	1	0	1	手動(dòng)單刀反轉(zhuǎn)
1	1	0	1	寸動(dòng)正轉(zhuǎn)模式
1	1	1	0	寸動(dòng)反轉(zhuǎn)模式

刀庫(kù) CMD DI 組合說(shuō)明：

刀庫(kù) DO 狀態(tài)信號(hào)說(shuō)明：

2.2伺服刀庫(kù)手動(dòng)邏輯

伺服刀庫(kù)手動(dòng)模式下，“模式選擇-M1”均為“1”，因此在可以將機(jī)床手動(dòng)模式狀態(tài)（手輪，JOG，編輯）并列輸出“模式選擇-M1”為“1”

“模式選擇-M0”僅在刀庫(kù)寸動(dòng)模式為“1”，該模式一般用于伺服刀庫(kù)的原點(diǎn)設(shè)置，屬于調(diào)試模式，機(jī)床正常使用過(guò)程無(wú)需用到該功能，因此使用K參數(shù)切換“0或1”的輸出。K參數(shù)開啟后，機(jī)床處于手動(dòng)模式狀態(tài)（“模式選擇-M1”為“1”），即可激活伺服刀庫(kù)寸動(dòng)模式。且進(jìn)入該模式后刀庫(kù)處于調(diào)試模式，無(wú)法正常使用，同時(shí)需輸出刀庫(kù)處于調(diào)試模式的報(bào)警提示信息。

“原點(diǎn)模式”用設(shè)置伺服刀庫(kù)原點(diǎn)，即1號(hào)刀套位置。使用該模式是僅“組合0”為“1”，其它模式均為“0”。切為了避免誤操作導(dǎo)致刀庫(kù)原點(diǎn)丟失，需使用K參數(shù)切換該功能。

在 “模式選擇-M1”均為“1” “模式選擇-M0”均為“0”的狀態(tài)下，通過(guò)輸出“組合0”或“組合1”為“1”來(lái)試下刀盤的正反轉(zhuǎn)，為避免在刀套打下的情況下轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤導(dǎo)致刀庫(kù)損壞需同時(shí)與刀套上下信號(hào)做互鎖處理。

伺服刀庫(kù)“緊急停止”狀態(tài)是擁有刀庫(kù)出現(xiàn)異常時(shí)需立刻停止刀庫(kù)時(shí)使用，該狀態(tài)需與機(jī)床緊急停止按鈕串接在一起，按下機(jī)床急停按鈕時(shí)切斷“模式選擇-M1” “模式選擇-M0”輸出的同時(shí)輸出“組合0”“組合1”為“1”，激活伺服刀庫(kù)“緊急停止”狀態(tài)。

2.3伺服刀庫(kù)選刀邏輯

系統(tǒng)執(zhí)行T指令是觸發(fā)F7.3信號(hào)導(dǎo)通SUB16進(jìn)行目標(biāo)刀號(hào)及主軸上刀號(hào)的一致性判定，若一致時(shí)輸出G55.2為“１“停止刀號(hào)輸出，直接接受換刀動(dòng)作。

若不一致時(shí)，且SUB200判定目標(biāo)刀號(hào)目前不在換刀位置時(shí)導(dǎo)通SUB37進(jìn)行刀號(hào)賦值傳輸至伺服刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)器。

注：由于該款驅(qū)動(dòng)器CMD DI 組合（CMD1－CMD1均為0）即輸入0時(shí)為1號(hào)刀，而且系統(tǒng)默認(rèn)輸入1時(shí)為1號(hào)刀，因此使用SUB37（二進(jìn)制減法）功能模塊進(jìn)行刀號(hào)賦值傳輸。

伺服驅(qū)動(dòng)器在收到系統(tǒng)賦予的刀號(hào)后，觸發(fā)刀庫(kù)的“自動(dòng)分度模式”，刀盤進(jìn)行自動(dòng)選刀動(dòng)作?！白詣?dòng)分度模式”下使用該模式是僅“組合１”為“1”，其它模式均為“0”，且自動(dòng)換刀均在機(jī)床處于制動(dòng)模式下進(jìn)行，因此用機(jī)床的自動(dòng)模式組合信號(hào)為判定條件輸出“組合１”為“1”，且為避免損壞刀套同樣需要與刀套上下信號(hào)進(jìn)行互鎖。

由于“自動(dòng)分度模式”需在伺服驅(qū)動(dòng)器在收到系統(tǒng)賦予的刀號(hào)后才能進(jìn)行尋刀切該模式需觸發(fā)0.2秒以上才能進(jìn)入，因此不能直接使用F7.3選刀信號(hào)進(jìn)行觸發(fā)而使用中間繼電器，且延遲0.2秒導(dǎo)通并進(jìn)行互鎖，確?！白詣?dòng)分度模式”可以正常觸發(fā)。刀盤選刀完成后導(dǎo)通SUB２００功能指令進(jìn)行刀盤換刀位置刀套內(nèi)刀號(hào)與目標(biāo)刀號(hào)的比較，一致時(shí)輸出R733.4信號(hào)打斷“自動(dòng)分度模式” 互鎖，完成整個(gè)選刀過(guò)程。

R733.4一致性判斷信號(hào)同時(shí)也應(yīng)用與自動(dòng)換刀過(guò)程中換刀使能判定，不一致時(shí)打斷換刀動(dòng)作并輸出相對(duì)應(yīng)的報(bào)警信息。

伺服刀庫(kù)完成選刀后會(huì)反饋對(duì)應(yīng)的刀套好給予系統(tǒng)，同時(shí)將反饋刀套號(hào)與目標(biāo)刀套號(hào)進(jìn)行比較，一致是輸出選刀完成信號(hào)。

選到完成后執(zhí)行刀臂旋轉(zhuǎn)動(dòng)作即可完成換刀，該款刀庫(kù)刀臂部分為步進(jìn)電機(jī)的凸輪機(jī)構(gòu)，與普通圓盤刀庫(kù)一致，僅需按序輸出刀臂旋轉(zhuǎn)信號(hào)即可，這里不做詳細(xì)描述。

2.4 伺服報(bào)警信息輸出及解決方法

若刀盤旋轉(zhuǎn)選刀完成后刀盤位置錯(cuò)誤，即出現(xiàn)DO狀態(tài)中僅DO3為“1”，其它均為0，情況下需輸出報(bào)警提示。一般情況下手動(dòng)旋轉(zhuǎn)刀盤即可回正。若依然位置錯(cuò)誤，使用寸動(dòng)模式調(diào)整刀盤位置并重設(shè)原點(diǎn)也可解決。由于伺服刀庫(kù)進(jìn)行選刀時(shí)，刀盤旋轉(zhuǎn)過(guò)程中也會(huì)伺服DO狀態(tài)中僅DO3為“1”，其它均為0的情況，因此該報(bào)警需延遲觸發(fā)。

附：換刀宏程序說(shuō)明（該宏程序包含大小刀功能）

宏程序內(nèi)容：

%

O9005

(FANUC YP A03)

G5.1Q0

M41 （自動(dòng)換刀狀態(tài)保存）

#100=#4003

#500=#1009

M09

M05

G91G30Z0

G91G30Y0.M19

IF[#1008EQ1]GOTO110 (使用大小刀功能時(shí)跳轉(zhuǎn)N100進(jìn)行大小刀判斷)

IF[#500EQ#4120]GOTO20 （所換刀號(hào)與主軸上刀號(hào)一致時(shí)跳轉(zhuǎn)N20，結(jié)束換刀）

M136 （開啟刀庫(kù)門）

M6T#4120 （執(zhí)行換刀）

M43 （等待刀盤停止選刀信號(hào)）

N20

M42（自動(dòng)換刀狀態(tài)結(jié)束）

G#100

M20

M137 （關(guān)閉刀庫(kù)門）

G5.1Q1

M99

N110 （大小刀部分換刀宏）

M43

IF[#907EQ#4120]GOTO100 （所換刀號(hào)與主軸上刀號(hào)一致時(shí)跳轉(zhuǎn)N100，結(jié)束換刀）

WHILE[#906NE#907]DO1

#3000=111(#906NO#907.TOOL.ERROR)

END1

#3003=1

#3004=1

#910=#4003

#907=#4120 (所換刀號(hào))

IF[#4120EQ#901+1]GOTO120 (所換刀號(hào)為大刀刀號(hào)相鄰時(shí)跳轉(zhuǎn)N120輸出報(bào)警)

IF[#4120EQ#902+1]GOTO120 (所換刀號(hào)為大刀刀號(hào)相鄰時(shí)跳轉(zhuǎn)N120輸出報(bào)警)

IF[#4120EQ#903+1]GOTO120 (所換刀號(hào)為大刀刀號(hào)相鄰時(shí)跳轉(zhuǎn)N120輸出報(bào)警)

IF[#4120EQ#901-1]GOTO120 (所換刀號(hào)為大刀刀號(hào)相鄰時(shí)跳轉(zhuǎn)N120輸出報(bào)警)

IF[#4120EQ#902-1]GOTO120 (所換刀號(hào)為大刀刀號(hào)相鄰時(shí)跳轉(zhuǎn)N120輸出報(bào)警)

IF[#4120EQ#903-1]GOTO120 (所換刀號(hào)為大刀刀號(hào)相鄰時(shí)跳轉(zhuǎn)N120輸出報(bào)警)

IF[#906EQ#901]GOTO30 （主軸上刀號(hào)為大刀時(shí)跳轉(zhuǎn)N30執(zhí)行還刀動(dòng)作后再進(jìn)行換刀）

IF[#906EQ#902]GOTO30 （主軸上刀號(hào)為大刀時(shí)跳轉(zhuǎn)N30執(zhí)行還刀動(dòng)作后再進(jìn)行換刀）

IF[#906EQ#903]GOTO30 （主軸上刀號(hào)為大刀時(shí)跳轉(zhuǎn)N30執(zhí)行還刀動(dòng)作后再進(jìn)行換刀）

IF[#907NE#901]GOTO60 （主軸上刀號(hào)為小刀時(shí)跳轉(zhuǎn)N60執(zhí)行換刀動(dòng)作）

IF[#907NE#902]GOTO60 （主軸上刀號(hào)為小刀時(shí)跳轉(zhuǎn)N60執(zhí)行換刀動(dòng)作）

IF[#907NE#903]GOTO60 （主軸上刀號(hào)為小刀時(shí)跳轉(zhuǎn)N60執(zhí)行換刀動(dòng)作）

N30

M44（一致性比較）

M6T#905 （大刀還刀）

G4X0.1

IF[#907EQ#905]GOTO99 （主軸刀號(hào)等于所換刀號(hào)時(shí)跳轉(zhuǎn)N99，結(jié)束換刀）

#906=#905

GOTO60

N50

#905=#907

N60 （換刀動(dòng)作）

M136

M41

M6T#907

G#910

#905=#906

#906=#4120

M20

M137

GOTO100

N99

#905=#906

#906=#907

N100 （結(jié)束換刀動(dòng)作）

M42

G5.1Q1

#3003=0

#3004=0

M99

N120 （輸出報(bào)警）

M42

#907=#906

G5.1Q1

#3003=0

#3004=0

#3000=1(NO TOOL)

M99

%

宏變量設(shè)置

已三把大刀為例子，執(zhí)行換刀指令時(shí)，當(dāng)主軸上刀號(hào)為大刀時(shí)，自動(dòng)先歸還大刀，再換指定刀。

將#901、#902、#903分別設(shè)為大刀號(hào)19、21、23。將#905設(shè)成1，#906設(shè)成25，#907設(shè)成25。每次正常換完刀后#906與#907這兩個(gè)宏變量的值會(huì)自動(dòng)設(shè)置成一致。

設(shè)3把固定的大刀T19、T21、T23，且相鄰刀套T18、T20、T22、T24為空刀套，不能裝刀，裝上也會(huì)被忽略。設(shè)置效果如下圖：

3.結(jié)論

通過(guò)上述調(diào)試說(shuō)明中可以發(fā)現(xiàn)，刀盤式伺服刀庫(kù)與普通刀庫(kù)的差異。

機(jī)械手刀庫(kù)的工作原理較為簡(jiǎn)單，它是一種手動(dòng)機(jī)械設(shè)備。利用步進(jìn)電機(jī)和機(jī)械凸輪結(jié)果進(jìn)行換刀動(dòng)作。刀具放置在換刀臂上，通過(guò)調(diào)整換刀臂的水平高度、深度、位置等參數(shù)實(shí)現(xiàn)刀具的更換和操作。機(jī)械手刀庫(kù)的工作效率較低，且使用時(shí)間較長(zhǎng)后機(jī)械結(jié)構(gòu)磨損，容易出現(xiàn)卡刀及掉刀的風(fēng)險(xiǎn) 。

伺服刀庫(kù)的工作原理則相對(duì)較于復(fù)雜。伺服刀庫(kù)內(nèi)裝有伺服電機(jī)、伺服控制器等，可以通過(guò)PLC程序?qū)崿F(xiàn)刀具的快速換位和精準(zhǔn)調(diào)整。伺服刀庫(kù)可以實(shí)現(xiàn)刀具的批量化管理，高速換刀高速加工，極大提高了生產(chǎn)效率。