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引言
可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制器( Programmable Multi-Axis
Controller，PMAC) 是由 Delta Tau 公司設(shè)計(jì)制造的低成本、高精度的多軸運(yùn)動(dòng)控制器，是工業(yè)領(lǐng)域的運(yùn)動(dòng)控制器之一，廣泛應(yīng)用于各數(shù)控系統(tǒng)中。本文基于 PMAC 的 VNCZT-545 加工中心的刀庫采用的是由
10 把刀組成的斗笠式刀庫，該刀庫主要由三相異步電動(dòng)機(jī)、限位開關(guān)、氣缸和刀盤等組成［1］。換刀時(shí)，根據(jù)目標(biāo)刀具號和當(dāng)前刀具號的差值判斷刀庫電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)就近找刀［2］; 通過氣缸裝置使刀庫伸出或縮回，與主軸相配合進(jìn)行換刀，由氣動(dòng)打刀缸來實(shí)現(xiàn)主軸的抓刀和松刀; 在刀庫上設(shè)有刀具計(jì)數(shù)開關(guān)，刀庫每轉(zhuǎn)過一個(gè)刀位，便產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號，根據(jù)脈沖信號的個(gè)數(shù)判斷刀庫轉(zhuǎn)過幾個(gè)刀位，以此實(shí)現(xiàn)刀庫準(zhǔn) 停［3］。該刀庫采用固定刀位管理，刀套的編號即是刀具的號碼。
1 斗笠式刀庫自動(dòng)換刀過程
斗笠式刀庫換刀時(shí)，首先比較刀庫中當(dāng)前刀具號是否與主軸刀具號一致，若不一致，先旋轉(zhuǎn)刀庫，使整個(gè)刀庫向主軸方向平行移動(dòng)，取下主軸上原刀具，當(dāng)主軸上的原刀具進(jìn)入刀庫的卡槽時(shí)，主軸向上移動(dòng)脫開刀具，主軸移動(dòng)到安全位置后，這時(shí)刀庫轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)目標(biāo)刀具對正主軸正下方時(shí)，主軸下移，使刀具進(jìn)入主軸錐孔內(nèi)，刀具夾緊后，刀庫退回遠(yuǎn)離主軸位置，換刀過程結(jié)束［9］; 若當(dāng)前刀具號與主軸刀具號一致，則換刀過程結(jié)束 ［9］ 。圖 1 所示為斗笠式刀庫換刀過程動(dòng)作圖。刀庫具體換刀動(dòng)作過程如下。
步驟 1: 刀庫控制系統(tǒng)進(jìn)行初始化。刀庫的 1 號刀位應(yīng)該停在刀庫的換刀位置上，如果刀庫沒有零點(diǎn)檢測信號，需要首先用手動(dòng)方式將刀盤轉(zhuǎn)到 1 號刀位位置，然后才能執(zhí)行初始化命令。初始化后刀盤停在
1 號刀位置上且不裝刀，刀盤其他位置裝刀，主軸裝 1
號刀，將主軸刀具號設(shè)置為 1，PLC 刀庫計(jì)數(shù)器直接置
1。在不發(fā)生亂刀、刀盤旋轉(zhuǎn)至當(dāng)前主軸刀具號中斷和刀盤旋轉(zhuǎn)至目標(biāo)刀具號中斷的時(shí)候，只需初始化一次即可。
刀庫處于初始位置如圖 1a 所示，此時(shí)刀庫遠(yuǎn)離主軸。刀庫氣缸的磁性接近開關(guān) A 閉合后發(fā)送信號到數(shù)控機(jī)床的 PLC 中，對刀庫狀態(tài)確認(rèn)無誤后，將每個(gè)步驟存儲(chǔ)在一個(gè)中間變量 P 中，令 P = 1。
步驟 2: 數(shù)控系統(tǒng)接到換刀指令之后，將發(fā)給 PLC一個(gè)內(nèi)部信號，啟動(dòng)自動(dòng)換刀程序。對指令中的目標(biāo)刀具號和當(dāng)前主軸刀具號進(jìn)行比較，如果一致，直接發(fā)出換刀完成信號; 如果不一致，啟動(dòng)換刀程序，進(jìn)入步驟 3，中間變量 P = 2。
步驟 3: Z 軸運(yùn)動(dòng)到參考點(diǎn)位置如圖 1c 所示 ( Z 軸脫離刀柄的安全位置，一般為 Z 軸的參考點(diǎn)位置) ，同時(shí)主軸準(zhǔn)停，中間變量 P = 3［4］。
步驟 4: 判斷主軸有沒有刀。若沒刀，則刀庫不用進(jìn)行取刀過程，可直接進(jìn)入換取新刀過程，中間變量P = 4，跳轉(zhuǎn)到步驟 5 執(zhí)行換取新刀程序; 若主軸有刀，則要先取下舊刀再更換新刀，中間變量P = 5，跳轉(zhuǎn)到步驟 4． 1 執(zhí)行取下舊刀程序。
步驟 4． 1: 主軸有刀時(shí)，需要進(jìn)一步判斷當(dāng)前主軸刀具號與當(dāng)前刀具號是否相同，若不相同，調(diào)用刀庫就近換刀子程序，命令刀盤旋轉(zhuǎn)如圖 1d 所示，直到當(dāng)前主軸刀具號與當(dāng)前刀具號相同，刀盤停止旋轉(zhuǎn)，中間變量 P = 6。
步驟 4． 2 : Z 軸運(yùn)動(dòng)到第二參考點(diǎn)位置如圖 1e 所示( 主軸和刀卡槽配合好的位置) ，將當(dāng)前主軸上的刀具退回到刀庫中對應(yīng)的刀位上［5］，中間變量 P = 7。
步驟 4． 3: 刀庫整體前進(jìn)到換刀位置如圖 1b 所示，到位后刀庫氣缸的磁性接近開關(guān) B 閉合后發(fā)送信號到數(shù)控機(jī)床的 PLC 中，對刀庫狀態(tài)確認(rèn)無誤后，中間變量 P = 8。
步驟 4． 4: 刀庫抓刀確認(rèn)后，主軸上的打刀缸電磁閥通電，主軸吹氣松刀。主軸松刀后打刀缸伸出限位開關(guān) C 閉合后發(fā)送信號到數(shù)控機(jī)床的 PLC 中，確認(rèn)本步動(dòng)作執(zhí)行完成，允許下一步動(dòng)作開始，中間變量 P = 9。
步驟 4． 5: Z 軸運(yùn)動(dòng)到參考點(diǎn)位置如圖 1c 所示。中間變量 P = 10，跳轉(zhuǎn)到步驟 6 繼續(xù)執(zhí)行換取新刀程序。
步驟 5: 主軸無刀時(shí)，刀庫整體前進(jìn)到換刀位置如圖 1b 所示，到位后刀庫氣缸的磁性接近開關(guān) B 閉合后發(fā)送信號到數(shù)控機(jī)床的 PLC 中，對刀庫狀態(tài)確認(rèn)無誤后，中間變量 P = 11。
步驟 6: 調(diào)用刀庫就近換刀子程序，刀盤旋轉(zhuǎn)如圖1d 所示，中間變量 P = 12。
步驟 7: Z 軸運(yùn)動(dòng)到第二參考點(diǎn)位置，如圖 1e 所示，氣動(dòng)打刀缸電磁閥斷電，主軸抓刀。主軸抓刀后打刀缸收回限位開關(guān) D 閉合后發(fā)送信號到數(shù)控機(jī)床的 PLC 中，中間變量 P = 13。
步驟 8: 刀庫整體后退到初始位置，如圖 1f 所示，到位后刀庫氣缸的磁性接近開關(guān) A 閉合后發(fā)送信號到數(shù)控機(jī)床的 PLC 中，對刀庫狀態(tài)確認(rèn)無誤后，中間變量 P = 14。
步驟 9: Z 軸運(yùn)動(dòng)到參考點(diǎn)位置，如圖 1c 所示，換刀結(jié)束，主軸定位解除，向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送換刀完成信號［5］，中間變量 P = 0。

圖 1 斗笠式刀庫換刀過程動(dòng)作圖
編程方法的重點(diǎn)是將刀庫換刀的動(dòng)作進(jìn)行分步［6］。每個(gè)步驟存儲(chǔ)在一個(gè)中間變量 P 中，刀庫換刀時(shí)，每一個(gè)動(dòng)作正確完成后，中間變量 P 的值都會(huì)改變，成為下一個(gè)動(dòng)作啟動(dòng)的必要條件，整個(gè)換刀動(dòng)作完成以后將中間變量 P 置零，下一個(gè)換刀命令到來后又從步驟 1 開始執(zhí)行。這樣不僅使 PLC 程序簡單、直觀，還能避免信號之間的互相干擾，保證了刀庫換刀的安全可靠，并可對每一個(gè)動(dòng)作的執(zhí)行情況進(jìn)行監(jiān)控，避免出現(xiàn)事故［7］。