基于PMAC的加工中心斗笠式刀库自动换刀控制系统

数控加工中心控制系统的下位机软件运行于Turbo PMAC中。系统有效地利用了 Turbo PMAC提供的资源，使大量实时控制功能在下位机中完成，减少了 PC与Turbo PMAC之间的数据传输。当数控加工中心开始运行后，运动过程完全不依赖于上位机软件系统，即使上位机出现软件故障，也不会影响数控线轨加工中心运动目标的完成，使上位机系统在不影响数控立式加工中心运行程序的情况下重新复位并恢复到正常状态。

下位机软件系统由PLC程序、运动程序、算法程序和相关变量定义构成。Turbo PMAC 内置了 PLC功能，且支持多程序运行，通过PLC程序实时监测设备运行状态，并检测和执行上位机发来的指令信号，其主要功能包括安全运行监控、数控系统起停、机床I/O初始化、刀库自动换刀控制，数控系统矩阵键盘控制等。

4.3.1基于PMAC的加工中心斗笠式刀库自动换刀控制系统

基于PMAC的CNC加工中心的刀库采用的是10把刀斗笠式刀库，该刀库主要由三相异步电机、限位开关、气缸和刀盘等组成[53]。换刀时，根据目标刀具号和当前刀具号的差值判断刀库电机正反转，实现就近找刀；通过气缸装置使刀库伸出或缩回，与主轴相配合进行换刀，由气动打刀缸来实现主轴的抓刀和松刀；在刀库上设有刀具计数开关, 刀库每转过一个刀位，便产生一个脉冲信号，根据脉冲信号的个数判断出刀库转过几个刀位，实现刀库准停[54]。该刀库采用固定刀位管理：刀套的编号即是刀具的号码。

斗笠式刀库自动换刀过程

U刀库控制系统进行初始化。刀库的一号刀位应该停在刀库的换刀位置上，如果刀库没有零点检测信号，需要首先用手动方式将刀库转到一号刀位位置，然后才能执行初始化命令。初始化后的结果是：刀库停在一号刀位置上且不装刀，刀库其它位置装刀，主轴装1号刀，将主轴刀号设置为1 , PLC刀库计数器直接置1。在不发生乱刀、刀盘旋转至主轴目前刀号中断和刀盘旋转至目标刀号中断的时候，只需初始化一次即可。

刀库处于初始位置，此时刀库远离主轴[55]。刀库气缸磁性接近开关A发送信号到数控机床的PLC中，对刀库状态进行确认，确认无误后，中间变量P的值为1。

1.2数控系统接到换刀指令M06之后，NC将发给PLC—个内部信号，启动自动换刀程序。对指令的目标刀号和当前主轴刀号进行比较，如果相等，直接发出换刀完成信号，如果不等，启动换刀程序，进入下一步，中间变量P的值为2[55]。

Z轴运动到第一参考点位置，同时主轴准停，中间变量P的值为3。

1.4判断主轴有没有刀，假如没刀，则刀库不用进行取刀过程，可直接进入换取新刀过程，中间变量P的值为4。跳转到步骤1.5继续执行换取新刀程序[56]。假设主轴有刀，则要先取下旧刀再更换新刀，中间变量P的值为5。跳转到步骤1.4.1执行取下旧刀程序[56]。

1.4.1主轴有刀时，需要进一步判断当前主轴刀号与当前刀号是否相等，若不相等，调用刀库就近换刀子程序，命令刀库旋转，直到当前刀号与主轴刀号相等，刀库停止旋转。中间变量P的值为6。

1.4.2 Z轴运动到第二参考点位置，将当前主轴上的刀具还到刀库中对应的刀位上。中间变量P的值为7。

1.4.3刀库前进到换刀位置，到位后刀库气缸磁性接近开关B发送信号到数控机床的 PLC中，对刀库状态进行确认，确认无误后，中间变量P的值为8。

1.4.4刀库抓刀确认后，主轴上的打刀缸电磁阀得电，主轴吹气松刀。主轴松刀后打刀缸伸出限位开关C发送信号到数控机床的PLC中，确认本步动作执行完成，允许下一步动作开始[56]。中间变量P的值为9。

1.4.5 Z轴运动到第一参考点位置。中间变量P的值为10。跳转到步骤2.6继续执行换取新刀程序。

1.5主轴无刀时，刀库前进到换刀位置，到位后刀库气缸磁性接近开关B发送信号到数控机床的PLC中，对刀库状态进行确认，确认无误后，中间变量P的值为11。

1.6调用刀库就近换刀子程序，中间变量P的值为12。

1.7 Z轴运动到第二参考点位置，气动打刀缸电磁阀失电，主轴抓刀。主轴抓刀后打刀缸收回限位开关D发送信号到数控机床的PLC中。中间变量P的值为13。

1.8刀库后退到初始位置，到位后刀库气缸磁性接近开关A发送信号到数控机床的 PLC中，对刀库状态进行确认，确认无误后，中间变量P的值为14。

1.9 Z轴运动到第一参考点位置，换刀结束，主轴定位解除，向数控系统发送换刀完成信号。中间变量P的值为0。

本编程方法的重点是将刀库换刀的动作进行分步。“步”存储在一个中间变量P中，刀库换刀时，每一个动作正确完成后，中间变量P的值都会改变，成为下一个动作启动的必要条件，整个换刀动作完成以后将中间变量P置零，下一个换刀命令到来后又从步1开始执行[57]。这样不仅使PLC程序简单、直观，而且由于“步骤”是唯一的，这样就能避免信号之间的互相干扰，保证了刀库换刀的安全可靠，并可对每一个动作的执行情况进行监控，避免出现事故。

换刀系统程序设计

为了方便刀库的调试，刀库控制系统设有自动和手动两种工作方式。在自动工作方式下，给定目标刀号，刀库就能够实现就近找刀，自动换刀，并能够对换刀过程的每一个动作是否到位进行监控，以保证换刀过程的安全可靠。在手动工作方式下，实现刀库调试与维修时用到的各种手动操作功能，这些功能包括刀库正、反转，主轴松、紧刀，刀库伸出，刀库后退和刀库返回原点等。

2.1自动就近换刀

在自动运行模式下，系统按照换刀流程，顺序完成各步动作，其中如何根据目标刀具号和当前刀具号的差值判断刀库应该正转还是反转，从而实现就近找刀，是PLC程序的一

项重要任务。刀库就近换刀流程图如图4-10所示。

当收到调用刀库就近换刀子程序命令后，比较当前刀号和目标刀号的数值的大小，当前刀号等于目标刀号的时候，刀库停止转动，发送换刀完成指令[58];当前刀号大于目标刀号的时候，其差值等于当前刀号减去目标刀号；当前刀号小于目标刀号的时候，其差值等于当前刀号加上刀库总数然后再减去目标刀号。再比较差值与5的大小，如果差值小于或等于5,旋转步数等于差值，刀盘正转；如果差大于5,旋转步数等于刀库总数减去差值，刀盘反转。在刀库上设有刀具计数开关，刀库每转过一个刀位，便产生一个脉冲信号，旋转步数相应减一，直到等于零时，刀库停止旋转[58]。为了刀库能准确的停在换刀位置上，可延长刀库停止的时间。同时，不断更新当前刀号，根据刀库旋转方向的不同，当前刀号加1或者减1,当加到最大值或者减到最小值时，当前刀号寄存器重新赋初值[58]。其关键程序见附录二。

2.2手动换刀

在手动运行模式下，刀库旋转有点动和连续，如何根据刀库旋转方向的不同，实时更新当前刀号，以及按钮松开后刀库准确的停在换刀位置上，是手动换刀PLC程序的一项重要任务。

对于按钮开关作为输入信号时产生的抖动，可采用软件延时的方法进行消抖；对于如何判断点动和连续，可启用一个简单的计数器，根据计数器值的大小来确认点动或连续；对于刀库能准确的停在换刀位置上，可延长刀库停止的时间；对于实时更新当前刀号，可根据刀库旋转方向的不同，当前刀号加1或者减1，当加到最大值或者减到最小值时，当前刀号寄存器重新赋初值，如果更新完的当前刀号与刀库停止时的刀号不一致，可在计数前适当加上一定延时。其关键程序见附录二。

本文采摘自“基于PMAC的加工中心开放式数控系统研究”，因为编辑困难导致有些函数、表格、图片、内容无法显示，有需要者可以在网络中查找相关文章！

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