关键词:换刀；PMC；车床

1 引言

车床刀架是车床自动换刀的机构，是车床上的一个重要部件，它用来安装各种切削加工刀具，其结构直接影响机床的切削性能和工作效率。在换刀控制过程中需要对使用刀具进行当前位置识别，刀具位置与目标位置比较判断等功能。数控机床刀架是由机床PMC来进行控制，对于四工位刀架来说，刀架的控制原理其实就是指刀架的整个换刀过程，刀架的换刀过程其实是通过PMC对控制刀架的所有I/O信号进行逻辑处理，实现刀架的顺序控制。

2 刀架换刀流程

数控车床使用的回转刀架是最简单的自动换刀装置，在JOG方式下进行换刀，主要是通过机床控制面板上的手动换刀键来完成的，一般是在手动方式下，按下换刀键，刀位转入下一把刀。刀架在电气控制上，主要包含刀架正反转和霍尔传感器两部分，实现刀架正反转的是三相异步电机，通过电机的正反转来完成刀架的转位与锁紧；而刀位传感器一般是由霍尔传感器构成，四工位刀架就有四个霍尔传感器安装在一块圆盘上，但触发霍尔传感器的只有一个，也就是说，四个刀位信号始终有一个信号为1或者0。

PMC（Programmable Machine Controller）编程主要通常在FANUC数控机床系统中来实现，通过PMC换刀有两种模式，一种是手动进行换刀，另一种则是通过PMC的进行自动换刀（主要有T指令来执行），刀架手动换刀是指机床操作按钮调至手动状态，通过机床手动按键进行换刀选择；FAUNC数控系统中主要是输入T指令来存储刀架目标刀号位置进而控制PMC程序进行判断。在FANUC数控系统当中，输入T指令，如：T01、T02这样的指令，控制刀架换刀至指定的刀位。刀架电机反转为刀架的锁紧过程，选刀位号所控制的时间和锁紧刀架时所需时间则是由PLC程序当中的定时器来决定，其控制流程图由图1所示，刀架的换刀过程流程图以3#刀为例来进行演示实现，其演示图也表现出了编程的设计理念，设计的大概思路为，首先判断所需选择的目标的刀位是否与当前的刀位相同，如果目标刀位与当前刀位不相同，刀架电机进行一次正转，即一次换刀，换刀之后继续进行刀位的判断，直到目标刀位等于当前刀位时，设计使刀架电机立即停止正转，然后在短暂延时过后，是使刀架电机进行反转，以达到延时锁紧的目标，当达到一定的反转时间（锁紧时间）后，即可确定刀架已经精确锁紧，这是立即是电机停止反转，从而达到换刀的目的。

    
 
                                                                              图1  电动刀架换刀过程流程图
3 PMC编程 

四工位刀架的PMC编程要了解每个工位上都要安装一把车刀，分别由霍尔开关检测。此控制中四个刀位的输入信号为X3.0、X3.1、X3.2、X3.3（动断信号），另外一个手动换刀键，信号为X9.3（动合信号）

输出信号：

   Y1.2控制中间继电器KA3,再由KA3控制KM4接触器的接通与断开。Y1.3控制中间继电器KA4,再由KA4控制KM3接触器的接通与断开。从而控制刀架动作。

本次设计用SUB27功能指令将R600作为表格序号，将每一个工位对应一个表格序号，把对应序号表格里的值给R611,执行后R611等于工位号。

PMC编程主要是通过FANUC LADDER-3软件来编写的，其具体的编程原理以及主要的功能指令介绍如图2所示。

图2 X地址输入

当4个刀架上霍尔元件检查到当前刀架后，例如当前T2刀，X000.1信号由1变为0，R600.1=1。二进制代码变换指令如图3所示。

图3 二进制代码变换指令

图3中，因为刀位检测信号分别对应R600.1-R600.3，当某一刀位上的霍尔元件接通，R600.1-R600.3其中信号为1，从而R621.1=1；SUB27二进制代码变换指令就会运行，SUB27指令主要作用是为了确定当前位置刀号，并把刀位号储存在R0611地址当中，其主要运作方式为当R600以十进制显示，而R600存储数据以二进制数据进行存储，存储方式为从高位到低位是R600.7-R600.0，当前位置为2号刀位时，R600.1为1，转换为十进制，当R600=2时，其R611则对应2，则表示当前刀位处于2号到位中，同理R600=4时，R611=3；R600=8时，R611=4。

刀位号定义PMC程序如图4所示，SUB40功能指令主要是采用NUMBE指令程序对刀架各工位到位信号进行位置定义，定义了4工位刀刀架的各刀位的信号，即T1、T2、T3、T4。X0.0-X.3也依次对应1-4的刀位信号。可以根据按相应X0.0-X0.3相应的按钮选择目标刀号，（1-4的工位也必须对应相应的R地址，否则之后代码转换的具体数值）D026当中就存储了总刀位数。

图4 数控车床刀架位置定义程序

图5 PMC逻辑与指令

如图5所示，图中PMC功能指令SUB8即为逻辑与数据传送指令，将逻辑与数据和输入数据进行逻辑与（AND）运算，并将结果输出至指定地址，还可以用来从指定地址中排出不需要的位数，即此指令目的为把R0611中的值赋予刀R6012当中。

图6 PMC当中比较指令SUB32和SUB200

如图6所示，图中功能指令均为数值比较指令，SUB32为二进制数据比较指令，SUB200为带符号的二进制比较指令，图中程序为带T代码的指令判断：因为F0026存储的是目标刀位数值，所SUB32功能是指如果指令的T代码值（驿码输出F26）大于刀塔工位数时，输出R9000.1=1；而SUB200程序是指如果指令的T代码值等于0，则输出R700.1=1，两种情况下只要存在一种情况，即R0620.5=1，此段程序主要用于系统报警，当输入的指令T代码值大于之前在D026所存储的总的到位数，即4工位刀号数或者是输出0这种不存在的刀位数时，就会出现相应的报警信息，如不存在这两种情况，则继续运行下一步的PMC程序。

图7 刀工位比较和程序跳转

中间还有段与之SUB8传送相同指令是把当前刀位的值赋予给R0612，图7中SUB8逻辑与功能相同，赋予R0612之后，通过SUB200比较指令，自动比较目标刀架工位和当前刀架工位值，当目标工位，则输出R700.2=1，输出R700.1=1后R625.0=1，R625.1=1；SUB10 JUMP为程序跳转指令，当R0625.1=0时，PMC程序会继续往下执行，而当R0625.1=1时，PMC程序会跳转至下一个JUMP功能指令后执，最后一个程JUMP程序直接在程序最后，如R0625.1=1，证明目标刀架号与当前刀架号相同，会直接跳转至程序最后，执行反转程序，延时锁紧，结束程序。

图8 PMC刀位换刀程序

当R0625.1=0时，即表明当前刀位没有达到目标刀位，PMC程序会继续往下执行，进入图8程序，此段程序当中SUB200比较指令，比较R0612和R0613当中数据，即当前刀位和目标刀位相比较，当R0612不等于R0613时，即R0612=0表明当前刀位不等于目标刀位时，即执行最后一条程序，R0601.1对应输出Y1.2信号，电机会持续正转，直到R0612=1时表明当前刀位号等于目标刀位号，达到换刀目的，电动机停止正转。

图9 PMC延时功能指令

如图9所示，SUB24为PMC延时功能指令，第一个SUB24功能指令，即定时间为200ms，即0.2s后，R0626.1=1，又因R0601.2对应输出Y1.3信号口控制电动机开始反转，电机开始反转以后，进行锁紧，随之执行下一个SUB24延时程序，表明在1000ms，即1s，后电机停止锁紧，换刀结束。

以上就是数控车床自动换刀PMC程序的功能指令以及整个换刀过程的实现原理。

4  PMC程序调试

手动换刀调试过程：把数控系统操作模式按钮调到手动换刀模式，点击数控系统面板上PMC手动换刀程序当中所设置的地址按钮，点击一下按钮，观察电动刀架是否只会顺时针旋转一个刀位（从1号刀位换刀旋转到2号刀位），旋转一个刀位后，电机正常停止并且反转紧缩。

自动换刀调试过程：把数控系统操作模式按钮调到自动换刀模式，点击数控系统面包上“Program”按钮进入程序指令输入界面，在界面当中输入指令“T0404；”后点击循环执行，刀架电机会启动，开始换刀，这时观察电动刀架是否会从1号到位旋转刀4号刀位，换刀后正常停止并反转锁紧。

调试出现如下问题：

（1）点击手动换刀或者是主动输入换刀指令后，刀架一直处于换刀状态，一直进行旋转不会停止。结果查看了原因后得知给予24V电源未正常给霍尔元件提供电流，从而导致霍尔元件没有正常工作，无法检测出当前刀架位置，至使信号无法传入给PMC程序。

（2）运行换刀时一号到和四号刀位置总是将R600.0和R600.3互换位置后正常。

5  结语

刀架的PMC控制应在PMC程序进行调试之前，进行相关电流连线的检查，不要盲目的去进行调试，以保证调试过程中电气部分连线的正常。调试程序之前保证各元器件正常；并且需要设置过载警报或者错误换刀操作警报；还需在程序当中最后编辑急停按钮信号，以便在异常情况下，可以及时停止数控车床换刀的调试操作。

参考文献：

[1]刘江,卢鹏程,许朝山. FANUC数控系统PMC编程[M]. 北京：高等教育出版社，2011.

[2]彭忠永. 数控车床螺旋型四工位电动刀架的换刀原理及故障诊断[J]. 中国科技信息,2010,(07):123-125.

[3]徐进阳,金玉. 数控车床常见故障诊断与维修[M]. 设备管理与维修,2009,(01):37-38.

[4]邹星. 数控车床电动刀架故障分析及处理方法[N]. 现代商贸工业,2012.

作者简介：

周丽霞(1983-)，女、汉族、四川成都人，成都航空职业技术学院专任教师，职称工程师，研究方向：数控设备应用维护