基于FANUCI/OLINK 軸的飛碟式刀庫控制系統開發

夏田，丁丙坤，王健

(陜西科技大學機電工程學院，陜西西安710021)

鉆攻中心是以高速鉆孔、攻絲和銑削為主的加工設備［1］，與一般的機床相比，鉆攻中心最大的特點就是加工效率高，其常用的刀庫類型有夾臂式和飛碟式。

鉆攻中心飛碟式刀庫換刀是依靠主軸 (Z 軸)上下移動來實現整個換刀動作的，為保證換刀安全、準確、快速，利用FANUC 系統中的I/O Link 軸對飛碟式刀庫伺服電機進行控制［2］，同時利用FANUC PMC 窗口功能實時監控Z 軸的機械位置。

1 飛碟式刀庫換刀控制要求

圖1 關于Z 軸位置的4 個參考點

飛碟式刀庫是利用機床主軸進行換刀的，通常安裝在主軸的正前方，因而省略了刀盤的進/退和刀套的上/下松刀，換刀速度快。根據飛碟式刀庫的結構特點，在換刀過程中需要在刀庫的松刀塊上和曲線導板上分別找出關于Z 軸位置的兩個參考點，如圖1 所示。

參考點1 表示主軸打刀點，到達該點后主軸開始松刀。為保證刀柄能順利進入主軸，Z 軸在到達參考點1 之前需要進行主軸準停M19;參考點2 表示刀柄已完全從主軸錐孔中脫離，且只有Z 軸位于參考點2上方圖1 關于Z 軸位置的4 個參考點刀盤才能選刀;參考點3 和4 為Z 軸在上下移動過程中的過渡撞擊點，為提高換刀速度在換刀宏程序中，要在參考點3和4 設定一短暫停，一般在0.1 s 左右。將這4 個位置參考點分別存入FANUC 系統參數PRM1240 ～PRM1243 中。

2 刀庫控制硬件系統

2.1 I/O Link 軸的硬件連接

I/O Link 軸控制是通過系統的FANUC I/O Link對伺服電機進行控制的一種方法。I/O Link 軸不能與系統控制的其他伺服軸進行插補，還需要占用系統I/O Link 的128 輸入點和128 輸出點。

I/O Link 軸的驅動是通過βi 系列放大器完成的。該放大器通過I/O Link 接口與系統相連，系統通過PMC 梯形圖對該接口進行控制，完成對I/O Link 軸的控制。圖2 為I/O Link 軸放大器的連接示意圖［3］。當使用I/O Link 作為系統與放大器之間的通信時，需要設定通信地址，通過該通道完成通信，該軸的地址分配符合系統對I/O 地址分配的原則。

圖2 I/O Link 軸放大器的連接示意圖

2.2 I/O Link 接口信號設定

FANUC I/O Link 軸控制接口方面，通常有兩種接口形式:外圍設備控制接口和直接命令接口。外圍控制接口具有適用于控制機床外圍設備的指令，利用一個外圍指令可以使設備完成一系列動作。外圍設備信號區的信號分配為:Yy +0，Yy +1，Yy +7 和Xx+0，Xx+1，Xx+2，Xx +7。通過直接通/切斷或讀入該信號，控制放大器模塊。Yy+2 至Yy+6 稱作指令命令區，對Yy+2 分配功能代碼和指令數據1，對Yy+3 至Yy+6 分配指令數據2［4－5］。直接命令接口的控制基本上利用一個指令進行一個定位。

利用I/O Link 軸實現刀庫選刀控制，是利用I/O Link 軸的分度功能，進行刀具定位，完成刀庫的換刀控制，通過I/O Link 軸的ACT/轉臺方式，還可以完成就近換刀的功能，其控制信號圖如圖3 所示。

圖3 刀庫控制信號圖

3 PMC 窗口功能

FANUC 系統PMC 窗口功能可以在CNC 和PMC之間讀寫多種數據，如坐標位置、參數、電機負載電流等各種信息［6－8］。讀CNC 窗口數據分為兩類:一類是在一段掃描時間內完成數據讀取，為高速響應功能;另一種是在幾段掃描時間內完成數據讀取，為低速響應功能。

利用PMC 窗口實時監控Z 軸的機械位置，圖4為PMC 窗口讀取機床機械坐標控制程序。D0100 為窗口功能控制數據首地址，28 為讀取控制軸機械坐標值的功碼;D0108 中數據屬性3 代表讀取Z 軸機械坐標;R9091.0 為常1 信號，表示開機后一直讀取Z軸機械位置，將讀取的機械位置存放在D0110 中。

圖4 PMC 讀取Z 軸機械坐標

圖5 為利用PMC 窗口讀取Z 軸第一參考點的坐標值，并將Z 軸的機械坐標D0110 與第一參考點的位置坐標D0210 相比較，比較結果放入R0300.0 中，當D0110 大于等于D210 時R0300.0 接通。同理，將Z 軸機械坐標與第二參考點的位置比較存放在R0300.1 中，不再詳述。

圖5 PMC 讀取第一參考點坐標

4 換刀部分PMC 程序設計

飛碟式刀庫的換刀控制由換刀宏程序和PMC 控制程序兩部分共同完成，在換刀宏程序中用M55 作為PMC 程序的入口，執行相關的換刀動作。使用I/O Link 軸作為刀庫伺服電機控制，可以利用I/O Link軸的ATC/轉臺控制功能代碼完成刀庫的選刀，通過定義功能代碼中的指令數據1 完成自動選刀或手動按一下轉動一個刀位。自動選刀部分梯形圖如圖6 所示，其中X 和Y 的地址都從60 開始，A0008.1 為Z軸到達參考點1 后主軸未定位報警，A0008.2 為刀庫未在換刀點(參考點2)以上的位置選刀報警。

圖6 刀庫自動換刀PMC 程序

刀庫的“回零”運行是利用I/O Link 軸的“參考點返回功能”建立的零點［9－10］，將1 號刀事先手動調整到換刀位置，并將此位置的機械坐標值存儲在參考點的機床坐標值參數144 或145 中。在手動模式下，通過操作面板上“刀庫回零”按鍵，刀庫回到所設定的刀庫原點。

5 結束語

用FANUC βis0.5/6000 伺服電機代替刀庫原來的電機，不僅提高了刀庫的換刀速度，還保證了換刀的可靠性，避免因刀庫中的傳感器故障發生錯誤。在換刀過程中通過PMC 窗口功能，保證刀庫在運轉過程中的安全。實踐證明:利用FANUC 系統的I/O Link軸控制刀庫伺服電機可大大提高換刀效率和換刀的可靠性，同時還可以提高刀庫的換刀精度。

［1］李洪波，黃琳．三菱M70 系統PLC 窗口功能在夾臂式刀庫上的應用［J］．制造技術與機床，2013(8):150－152．

［2］FANUC Oi-D/Oi M-D 簡明聯機調試手冊［M］．北京:北京發那科機電有限公司，2011．

［3］羅敏．FANUC 數控系統PMC 編程技術［M］．北京:化學工業出版社，2013．

［4］紀濤，王磊．基于FANUC I/O Link 軸的數控機床自動刀庫設計［J］．機床與液壓，2012，40(4):39－40．

［5］朱仕學．基于FANUC I/O Link 軸對旋轉工作臺控制的應用研究［J］．制造技術與機床，2010(11):139－141．

［6］牛志斌，曹彥生，李文斌，等．利用PMC 窗口功能實現行程潤滑控制的設計與開發［J］．制造技術與機床，2013(5):130－133．

［7］梯形圖編程語言說明書［M］．北京:北京發那科機電有限公司，2001．

［8］陳輝，奚葉敏．FANUC PMC 窗口功能的應用［J］．精密制造與自動化，2008(2):28－29．

［9］魏勝，王明發．基于I/O Link 軸的刀庫控制方式應用［J］．組合機床與加工自動化，2008(10):52－57．

［10］I/O Link Option 維修說明書［M］．北京:北京發那科機電有限公司，2004．