發(fā)那科系統(tǒng)加工中心伺服刀庫的應(yīng)用

深圳市拓智者科技有限公司 研發(fā)部 陳柯牟

一．伺服刀庫的優(yōu)勢

1.1使用范圍

普通加工中心一般配置機械手刀庫，又被稱為刀臂式刀庫或圓盤式刀庫。刀庫容量大致是16到32把。它適用于加工場景簡單、無需高效率高精度的場合。機械手刀庫的結(jié)構(gòu)簡單、易于操作，但是效率較慢。

伺服刀庫相比機械手刀庫更加復(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合，對于效率有著極致的要求。伺服刀庫通過伺服驅(qū)動控制伺服電機實現(xiàn)快速和精準(zhǔn)的刀具更換。伺服刀庫的適用范圍更廣，能夠完成更為復(fù)雜的加工任務(wù)。

1.2加工效率

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

伺服刀庫擁有極致的換刀速度，可以大幅提高生產(chǎn)加工效率。伺服刀庫通過內(nèi)裝有伺服電機、伺服控制器，可以實現(xiàn)刀具的迅速換位、精準(zhǔn)調(diào)整，擁有極快的選換刀速度，加工過程中實現(xiàn)自動化、連續(xù)加工，大大提高了加工產(chǎn)能。伺服刀庫適用于大規(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．伺服刀庫的應(yīng)用

本例子以發(fā)那科系統(tǒng)配匯川刀倉伺服24T刀庫為例，詳細(xì)說明刀倉伺服刀庫的PLC邏輯編寫。

2.1 伺服驅(qū)動說明

刀庫驅(qū)動器最多需要 I/O (12 In/8 Out )

模式組合輸出說明

模式選擇-M0	模式選擇-M1	組合0	組合1	功能說明
0	0	0	１	自動分度模式
0	0	1	0	原點模式
0	0	1	1	緊急停止
0	1	1	0	手動單刀正轉(zhuǎn)
0	1	0	1	手動單刀反轉(zhuǎn)
1	1	0	1	寸動正轉(zhuǎn)模式
1	1	1	0	寸動反轉(zhuǎn)模式

刀庫 CMD DI 組合說明：

刀庫 DO 狀態(tài)信號說明：

2.2伺服刀庫手動邏輯

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

“模式選擇-M0”僅在刀庫寸動模式為“1”，該模式一般用于伺服刀庫的原點設(shè)置，屬于調(diào)試模式，機床正常使用過程無需用到該功能，因此使用K參數(shù)切換“0或1”的輸出。K參數(shù)開啟后，機床處于手動模式狀態(tài)（“模式選擇-M1”為“1”），即可激活伺服刀庫寸動模式。且進(jìn)入該模式后刀庫處于調(diào)試模式，無法正常使用，同時需輸出刀庫處于調(diào)試模式的報警提示信息。

“原點模式”用設(shè)置伺服刀庫原點，即1號刀套位置。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)致刀庫原點丟失，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，通過輸出“組合0”或“組合1”為“1”來試下刀盤的正反轉(zhuǎn)，為避免在刀套打下的情況下轉(zhuǎn)動刀盤導(dǎo)致刀庫損壞需同時與刀套上下信號做互鎖處理。

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

2.3伺服刀庫選刀邏輯

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

若不一致時，且SUB200判定目標(biāo)刀號目前不在換刀位置時導(dǎo)通SUB37進(jìn)行刀號賦值傳輸至伺服刀庫驅(qū)動器。

注：由于該款驅(qū)動器CMD DI 組合（CMD1－CMD1均為0）即輸入0時為1號刀，而且系統(tǒng)默認(rèn)輸入1時為1號刀，因此使用SUB37（二進(jìn)制減法）功能模塊進(jìn)行刀號賦值傳輸。

伺服驅(qū)動器在收到系統(tǒng)賦予的刀號后，觸發(fā)刀庫的“自動分度模式”，刀盤進(jìn)行自動選刀動作?！白詣臃侄饶Ｊ健毕率褂迷撃Ｊ绞莾H“組合１”為“1”，其它模式均為“0”，且自動換刀均在機床處于制動模式下進(jìn)行，因此用機床的自動模式組合信號為判定條件輸出“組合１”為“1”，且為避免損壞刀套同樣需要與刀套上下信號進(jìn)行互鎖。

由于“自動分度模式”需在伺服驅(qū)動器在收到系統(tǒng)賦予的刀號后才能進(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，確保“自動分度模式”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)刀號與目標(biāo)刀號的比較，一致時輸出R733.4信號打斷“自動分度模式” 互鎖，完成整個選刀過程。

R733.4一致性判斷信號同時也應(yīng)用與自動換刀過程中換刀使能判定，不一致時打斷換刀動作并輸出相對應(yīng)的報警信息。

伺服刀庫完成選刀后會反饋對應(yīng)的刀套好給予系統(tǒng)，同時將反饋刀套號與目標(biāo)刀套號進(jìn)行比較，一致是輸出選刀完成信號。

選到完成后執(zhí)行刀臂旋轉(zhuǎn)動作即可完成換刀，該款刀庫刀臂部分為步進(jìn)電機的凸輪機構(gòu)，與普通圓盤刀庫一致，僅需按序輸出刀臂旋轉(zhuǎn)信號即可，這里不做詳細(xì)描述。

2.4 伺服報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，情況下需輸出報警提示。一般情況下手動旋轉(zhuǎn)刀盤即可回正。若依然位置錯誤，使用寸動模式調(diào)整刀盤位置并重設(shè)原點也可解決。由于伺服刀庫進(jìn)行選刀時，刀盤旋轉(zhuǎn)過程中也會伺服DO狀態(tài)中僅DO3為“1”，其它均為0的情況，因此該報警需延遲觸發(fā)。

附：換刀宏程序說明（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 (使用大小刀功能時跳轉(zhuǎn)N100進(jìn)行大小刀判斷)

IF[#500EQ#4120]GOTO20 （所換刀號與主軸上刀號一致時跳轉(zhuǎn)N20，結(jié)束換刀）

M136 （開啟刀庫門）

M6T#4120 （執(zhí)行換刀）

M43 （等待刀盤停止選刀信號）

N20

M42（自動換刀狀態(tài)結(jié)束）

G#100

M20

M137 （關(guān)閉刀庫門）

G5.1Q1

M99

N110 （大小刀部分換刀宏）

M43

IF[#907EQ#4120]GOTO100 （所換刀號與主軸上刀號一致時跳轉(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)

IF[#4120EQ#901+1]GOTO120 (所換刀號為大刀刀號相鄰時跳轉(zhuǎn)N120輸出報警)

IF[#4120EQ#902+1]GOTO120 (所換刀號為大刀刀號相鄰時跳轉(zhuǎn)N120輸出報警)

IF[#4120EQ#903+1]GOTO120 (所換刀號為大刀刀號相鄰時跳轉(zhuǎn)N120輸出報警)

IF[#4120EQ#901-1]GOTO120 (所換刀號為大刀刀號相鄰時跳轉(zhuǎn)N120輸出報警)

IF[#4120EQ#902-1]GOTO120 (所換刀號為大刀刀號相鄰時跳轉(zhuǎn)N120輸出報警)

IF[#4120EQ#903-1]GOTO120 (所換刀號為大刀刀號相鄰時跳轉(zhuǎn)N120輸出報警)

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

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

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

IF[#907NE#901]GOTO60 （主軸上刀號為小刀時跳轉(zhuǎn)N60執(zhí)行換刀動作）

IF[#907NE#902]GOTO60 （主軸上刀號為小刀時跳轉(zhuǎn)N60執(zhí)行換刀動作）

IF[#907NE#903]GOTO60 （主軸上刀號為小刀時跳轉(zhuǎn)N60執(zhí)行換刀動作）

N30

M44（一致性比較）

M6T#905 （大刀還刀）

G4X0.1

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

#906=#905

GOTO60

N50

#905=#907

N60 （換刀動作）

M136

M41

M6T#907

G#910

#905=#906

#906=#4120

M20

M137

GOTO100

N99

#905=#906

#906=#907

N100 （結(jié)束換刀動作）

M42

G5.1Q1

#3003=0

#3004=0

M99

N120 （輸出報警）

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，當(dāng)主軸上刀號為大刀時，自動先歸還大刀，再換指定刀。

將#901、#902、#903分別設(shè)為大刀號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這兩個宏變量的值會自動設(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，裝上也會被忽略。設(shè)置效果如下圖：

3.結(jié)論

通過上述調(diào)試說明中可以發(fā)現(xiàn)，刀盤式伺服刀庫與普通刀庫的差異。

機械手刀庫的工作原理較為簡單，它是一種手動機械設(shè)備。利用步進(jìn)電機和機械凸輪結(jié)果進(jìn)行換刀動作。刀具放置在換刀臂上，通過調(diào)整換刀臂的水平高度、深度、位置等參數(shù)實現(xiàn)刀具的更換和操作。機械手刀庫的工作效率較低，且使用時間較長后機械結(jié)構(gòu)磨損，容易出現(xiàn)卡刀及掉刀的風(fēng)險 。

伺服刀庫的工作原理則相對較于復(fù)雜。伺服刀庫內(nèi)裝有伺服電機、伺服控制器等，可以通過PLC程序?qū)崿F(xiàn)刀具的快速換位和精準(zhǔn)調(diào)整。伺服刀庫可以實現(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。