FANUC加工中心机械手换刀PMC设计.pdf

第5期（总第2 4 0 期）2023年10 月机械工程与自动化MECHANICAL ENGINEERING A U T O M A T I O NNo.5Oct.文章编号：16 7 2-6 4 13(2 0 2 3)0 5-0 0 7 0-0 3FANUC加工中心机械手换刀PMC设计董晓岚（苏州市职业大学机电工程学院，江苏苏州2 1510 4)摘要：分析了圆盘式刀库配换刀机械手换刀动作的控制逻辑，设计了控制接口信号与自定义M代码，基于FANUC数控系统编制了换刀宏程序和PMC程序。换刀控制动作包括刀盘找刀、主轴定向、刀套控制、刀臂控制和打刀缸控制，由换刀指令调用换刀宏程序，PMC换刀程序执行自定义M动作代码实现换刀动作。重点研究了随机方式刀盘找刀的控制逻辑和整个换刀动作之间联动的互锁条件逻辑。关键词：加工中心机械手；PMC；F A NU C中图分类号：TG659文献标识码：A0引言FANUC是市场普及率最高的数控系统，基于FANUC的加工中心换刀动作PMC设计应用广泛。圆盘式刀库配以换刀机械手构成的换刀系统结构简单，圆盘式刀库与换刀机械手动作分工明确，控制顺序清晰，是大部分中小型经济型加工中心采用的配置。本文分析圆盘式刀库配换刀机械手换刀动作的控制逻辑，刀库与主轴之间刀具交换动作的联动在控制方式上采用PMC程序配以宏程序调用完成动作的时序控制1换刀动作的逻辑顺序换刀动作的逻辑顺序如下2 ：刀库刀盘寻找目标刀具，根据换刀指令将TXXM06指定的目标刀具送至换刀位置；主轴返回第二参考点且完成定向动作；刀套倒下；打刀缸松；机械手刀臂抓取主轴与换刀位置上的刀具；机械手刀臂翻转18 0 将主轴上的刀具与目标刀具进行交换；刀套回刀，打刀缸夹紧。换刀动作的控制对象有刀库刀盘、刀套、机械手刀臂、打刀缸。动作控制包括刀盘找刀、主轴定向、刀套控制、刀臂控制、打刀缸控制。整个换刀动作控制所涉及的宏程序自定义代码的设定见表1。表1宏程序自定义代码的设定自定义M代码译码M10R4.0M11R4.1M81R6.0M82R6.1M83R6.2M84R6.3M85R6.42换刀动作控制安全互锁条件在换刀动作控制过程中需要设计的互锁条件包括：（1）刀套倒下状态下，即倒刀确认信号未到达之前，刀盘不能转动，否则会引起刀盘电机烧毁。（2）刀套抬起状态下，即回刀确认信号未到达之收稿日期：2 0 2 3-0 1-13；修订日期：2 0 2 3-0 6-3 0作者简介：董晓岚（198 0-），女，江苏苏州人，副教授，硕士，研究方向：数控机床装调维修、CAD/CAM。前，刀臂不能动作，否则刀臂抓到的是空刀。（3）刀臂动作之前，主轴定向动作必须完成，否则会出现换刀机械手碰撞故障。（4）机床出现紧急停止、复位信号时，换刀过程中断，即安全保护机制。3换刀动作宏程序FANUC数控系统以M06作为换刀动作指令，调用0 90 0 0 以后的宏程序3.4 1。按照换刀动作的逻辑顺序和自定义的换刀动作M代码，编制换刀宏程序如下：09001N10IFL#1000EQ1JGOTO300N20#199=#4003N30#198=#4006N40#197=#4005N50M82N60G91M19N70G91G30P2Z0N80M83N90G4X0.5N100M81N110G4X0.5N120M11N130G4X0.5N140M81N150G4X0.5含义N160M10打刀缸夹紧N170G4X0.5N180M81打刀缸放松N190G4X0.5刀臂动作N200M84刀盘找刀N210G4X0.5N220M85刀套倒刀N230G#199G#198G#197刀套回刀N240M05N250M99刷新刀具表4刀盘随机找刀模式宏程序调用的自定义M代码需要由FANUCPMC程序编译、执行、输出，实现刀库、机械手换刀臂、机械到位传感器输人信号的联动，在所有换刀动作中刀盘找刀是一个独立且重要的动作。在加工中心机床刀库控制中，刀盘找刀通常有顺/换刀子程序号/跳转至手动换刀/找刀/主轴定向/回第二参考点/刀套倒刀/延时0.5s/刀臂扣刀/打刀缸松刀/刀臂交换刀具/打刀缸夹紧/刀臂回原点/刀套回刀/刷新刀具表/换刀子程序结束2023年第5期序找刀和随机找刀两种方式5，本设计采用随机找刀方式。随机找刀方式允许刀具在刀盘中任意存放，但每把刀具和刀套上都有自己的编码。自动换刀时，PMC读到TXXM06程序指令要求所需要的目标刀具编码，刀盘旋转，每把刀具和刀套都接受识别，当某把刀具的编码与目标刀具的编码相一致时，该刀具被选中，刀库将目标刀具送到换刀位置，等待机械手来抓取。例如加工程序执行了T06M06指令，主轴上现有的0 3 号刀具需要被换成0 6 号刀具。原来0 6 号刀具在刀盘的4 号刀套里面，当读到T06指令时，刀盘转动将4 号刀套转到刀盘的换刀位置；读到M06指令，机械手开始换刀，刀臂翻转；换刀动作完成后，0 6 号刀具插人主轴刀套中，0 3 号刀具插在4 号刀套中。刀盘刀套号与刀具号存储位置见表2。表2 刀盘刀套号与刀具号存储位置刀具数据表刀套号D100主轴D1011号刀套D1022号刀套D1033号刀套D1044号刀套D1055号刀套5刀盘找刀动作PMC设计5.1刀盘找刀动作流程刀盘找刀的PMC控制程序流程6，7 如图1所示。等待TF刀具选通信号到达，TF信号触发DSCHB刀套号数据表检索指令，在D0100为起始刀套号数据表上开始检索F0026信号指定的目标刀具所在的刀套号，将目标刀套号结果传输至数据表D0090内；M82刀盘找刀指令触发ROTB刀盘回转控制指令，D0182存放的是当前换刀位置上的刀套号C0002到目标刀套号D0090所需的旋转步数，R0026.3输出刀盘的旋转方向；刀位计数器传感器信号X0010.0触发刀库旋转计数CTRC环形计数器指令，更新换刀位置上的刀套号C0002；当COIN一致性判断指令被触发，系统判别自标刀套号D0090.与换刀位置刀套号C0002一致时，刀盘控制电机旋转停止，也即刀盘找刀动作结束。加工程序调用TXXMO6指令自标刀具是否Y在主轴上？LN检索刀具数据表，锁定首标刀真套号计算刀盘旋转步数和旋转方尚图1，刀盘找刀控制程序流程图5.2M82找刀动作PMC程序当读到TXXM06语句中的T指令时，F0007.3=TF刀具选通信号触发DSCHB刀套号数据表检索指令（见图2），D0094存放的是刀盘刀套数加上主轴（+1)的总刀具数，是数据检索表的总数。D0100是刀具数据表起始地址，D0100地址内存放的数据是主轴上的刀具号，D0101是刀盘1号刀套的地址，D0101地址内存放的数据是1号刀套内刀具号，以此类推。F0026是程序中换刀调用的目标刀具号，DSCHB指令目的是在D0100刀套号数据表上开始检索F0026刀具号所在的刀套号，将结果传输至D0090，也即刀盘旋转的目标刀套号。M82刀盘找刀指令触发ROTB刀盘回转控制指令动作（见图3）,D0092是刀盘的总刀数，也是回转指董晓岚：FANUC加工中心机械手换刀PMC设计SUB3400011F0007.3ACTTF换刀前刀具号换刀后刀具号03号刀具06号刀具02号刀具04号刀具05号刀具06号刀具01号刀具换刀位置刀套号与目标刀套号是否一致？N刀盘旋转是否旋转到位？TY停止刀盘旋转，刷新刀真数据表71令的分度数。PLC计算刀盘换刀位置刀套号C0002到加工程序要调用的目标刀套号D0090所需的旋转步数D0182,R0026.3输出刀盘的旋转方向，0 为正转，1为反转。ROOOO.0RSTR9091.1R9091.103号刀具R9091.1R9091.1R0006.1 R0301.2 ACTHHM82F0007.3TF刀盘控制电机开始旋转，刀盘刀位计数传感器信号X0010.0触发刀盘旋转计数CTRC环形计数器指令（见图4)，Y0001.2为刀盘正转触发加计数器，Y0001.3为刀盘反转触发减计数器。FANUC系统的R9091.0信号（常0 信号）和R9091.1信号（常1信号）在功能指令的条件选择上会经常使用到。D0092是刀盘总刀数，每收到一个X0010.0信号，计数器自动记录增减刀盘换刀位置的刀套号，每转过一个刀位，计数器值加1或者减1，C0002始终记录刀盘转到的当前换刀位置的刀套号。R0301.0是计数器结束的标志，加计数Y器从最大值回到1，减计数器从1回到最大值。R9091.1CNOY0001.2Y0001.33UPDOWNCTRCNR9091.0X0010.0CNTT刀盘开始旋转后，COIN指令开始将目标刀套号与换刀位置刀套号进行比较（见图5）。COIN是一致性判断指令，刀盘旋转过程中,PLC不停地周期扫描判断分盘换刀位置刀套号C0002与D0090目标刀套号是否一致、换刀位置刀套号C0002里面刀具号数据与F0026指令调用目标刀具号是否一致，一致性成立，刀盘停止旋转，R0026.5结束M82刀盘找刀动作。当目标刀具运动到换刀位置时，PMC停止高速脉冲输出，刀盘控制电机停止运转。5.3M85刀具表刷新M85指令代码触发变地址修改数据转送指令执行刀具数表D0094、刀具套号表D0100刷新动作（见图6）。每完成一次换刀动作后，须重新刷新刀具表，以保证刀具数据表的状态与实际刀具的存储状态保持R0300.1DSCHBD0094D0100F0026D0090图2数据表检索指令RNOSUB260001DIRROTBPOSINC图3 刀盘回转指令SUB55D0092C0002RSTACT图4 刀库旋转计数指令RO026,3FWD/REVD0092C0002DO090D0182R0301.0机械工程与自动化一致。M85指令的分频信号R0400.0触发XMOVB述了换刀过程中刀套号数据与刀具号数据在控制程序指令，在D0094总分具数的数据表中，C0002记录的中的信息流转。是刀盘换刀位置的刀套号，将当前换刀位置刀套号写R0006.4R0400.1人刀具数据表的第一个数据D0100地址。M85指令的分频信号R0400.0触发MOVE逻辑乘（与逻辑）指令，将F0026目标刀具号写人刀具数据表D0100地址内主轴刀具号，刷新刀具数据表的目的就是保证D0100地址内存放的刀具号与主轴上刀具号一致、D0100地址与刀盘当前换刀位置刀套号一致。R9091.1BYTR0026.4SUB160001R9091.1ACTCOINC0002DO090R9091.1BYTSUB160001R9091.1ACTCOINc0002F0026R0026.4X0009.7F0007.3RO027.0TF换刀动作的其他控制如刀臂动作、打刀缸松紧动作、刀套倒刀回刀动作都需要实现互锁保护及信号到达延时确认。F0096.2是主轴返回第二参考点确认信号，刀臂动作、倒刀动作的前提必须保证主轴返回第二参考点动作完成。6结语本文分析了圆盘式刀库配以换刀机械手的换刀动作和控制时序，设计了宏程序自定义调用指令，基于随机找刀模式设计了刀盘找刀PMC控制流程，重点阐PMC Design of Manipulator Tool Change in FANUC Machining Center(School of Mechano-Electric Engineering,Suzhou Vocational University,Suzhou 215104,China)Abstract:This paper analyzes the control logic of the tool change action of the disc tool magazine with the manipulator tool changer,designs the control interface signals and the user-defined M codes,and compiles the tool change macro program and PMC programbased on FANUC NC system.The tool change control action includes location of the target tool,spindle orientation,tool sleevecontrol,tool arm control and tool cylinder control.,The tool change macro program is called by the tool change command,and thePMC tool change program executes the user-defined M action codes to realize the tool change action.It focuses on the control logic oflocation of random cutter system and the interlocking logic of the whole tool change action.Keywords:machining center manipulator;PMC;FANUC(上接第6 9 页）2Stuart H,Wang S,Khatib O,et al.The ocean onehands:An adaptive design for robust marine manipulationJ.The International Journal of Robotics Research,2017,36(2)：150-16 6.3Mura D,Barbarossa M,Dinuzzi G,et al.A soft modularend effector for underwater manipulation:A gentle,adaptable grasp for the ocean depthsJJ.IEEE Robotics&Automation Magazine,2018,25(4):45-56.Structure Design and Kinematics Simulation Analysis of Rope-Driven(National-Local Joint Engineering Laboratory for Marine Mineral Resources Exploration Equipment and Safety Technology,Hunan University ofScience and Technology,Xiangtan 411201,China)Abstract:Manipulators play an important role in underwater resource development and scientific research activities.The rigid linkmanipulator has a single grasping mode and poor grasping flexibility.In this paper,a humanoid finger rope drive manipulator isdesigned.The finger kinematics model is built based on the D-H parameter method,and the forward kinematics solution iscompleted;the Monte Carlo method is used to generate the workspace of the hand,and the motion simulation analysis of the threegrasping modes is carried out.The results show that the manipulator has good adaptive grasping ability.Keywords:anthropomorphic finger rope-driven manipulator;kinematics;simulation2023年第5期R0400.0R0006.4R0400.1ROOO.ORWR0302.0SUB3500011F0001.1RSTRSTR0400.0ACTR0400.0ACTSUBB1111RO027.0MOVE1111OF0026D0100图6 刷新刀套号指令RO026.5参考文献：1张佳琦，舒启林.基于PLC的圆盘式刀库电控系统设计J.机床与液压，2 0 16(7：2 9-3 2.2杨伯金，张跃明.基于PLC刀库控制系统研究J.组合机图5COIN一致性判断指令床与自动化加工技术，2 0 15（2）：10 7-10 9.3李明.加工中心机械手换刀控制程序的设计.天津职业大学学报，2 0 15（4)：8 4-8 6.4楚德义.加工中心自动换刀过程PLC编程技巧J.机床电器，2 0 0 9(4)：4 2-4 4.5卢勇，陈岸雨.圆盘式刀库控制逻辑分析.金属加工，2012(10):50-51.6潘晓贝.基于PLC在HNC-818加工中心换刀故障的应用J.组合机床与自动化加工技术，2 0 18（5）：111-115.7雷楠南.西门子8 0 2 D系统数控机床电动刀架PLC控制J.襄阳职业技术学院学报，2 0 18(17)：57-6 1.DONG Xiao-lan4刘辰辰，张奇峰，孙斌.深海力感知多指手结构设计与仿真分析J.现代制造工程，2 0 19（11）：4 2-4 9.5樊绍巍.类人型五指灵巧手的设计及抓取规划的研究D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2 0 10：55-6 0.6周康，邹树梁，王湘江，等.六自由度检修机器人工作空间仿真分析.机械工程与自动化，2 0 18（6）：6 4-6 6.7主阳，郭林福.轻型协作机械臂运动学及工作空间分析J.机械工程与自动化，2 0 17（1)：4 4-4 6.Manipulator of Anthropomorphic FingerZHAO Jian-hao,QUAN Wei-cai,FENG Jia-qi,LIU Bo,TANG Xuan-mingXMOVBD0094D010OD0100c0002