加工中心斗笠式刀库自动换刀控制系统如何运用PMAC
引言
可编程多轴运动控制器( programmable multi-axis
controller，pmac) 是由 delta tau 公司设计制造的低成本、高精度的多轴运动控制器，是工业的运动控制器之一，广泛应用于各数控系统中。本文基于 pmac 的 vnczt-545 加工中心的刀库采用的是由
10 把刀组成的斗笠式刀库，该刀库主要由三相异步电动机、限位开关、气缸和刀盘等组成［1］。换刀时，根据目标刀具号和当前刀具号的差值判断刀库电动机正反转，实现就近找刀［2］; 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刀库转过几个刀位，以此实现刀库准 停［3］。该刀库采用固定刀位管理，刀套的编号即是刀具的号码。
1 斗笠式刀库自动换刀过程
斗笠式刀库换刀时，首先比较刀库中当前刀具号是否与主轴刀具号一致，若不一致，先旋转刀库，使整个刀库向主轴方向平行移动，取下主轴上原刀具，当主轴上的原刀具进入刀库的卡槽时，主轴向上移动脱开刀具，主轴移动到安全位置后，这时刀库转动，当目标刀具对正主轴正下方时，主轴下移，使刀具进入主轴锥孔内，刀具夹紧后，刀库退回远离主轴位置，换刀过程结束［9］; 若当前刀具号与主轴刀具号一致，则换刀过程结束 ［9］ 。图 1 所示为斗笠式刀库换刀过程动作图。刀库具体换刀动作过程如下。
步骤 1: 刀库控制系统进行初始化。刀库的 1 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盘转到 1 号刀位位置，然后才能执行初始化命令。初始化后刀盘停在
1 号刀位置上且不装刀，刀盘其他位置装刀，主轴装 1
号刀，将主轴刀具号设置为 1，plc 刀库计数器直接置
1。在不发生乱刀、刀盘旋转至当前主轴刀具号中断和刀盘旋转至目标刀具号中断的时候，只需初始化一次即可。
刀库处于初始位置如图 1a 所示，此时刀库远离主轴。刀库气缸的磁性接近开关 a 闭合后发送信号到数控机床的 plc 中，对刀库状态确认无误后，将每个步骤存储在一个中间变量 p 中，令 p = 1。
步骤 2: 数控系统接到换刀指令之后，将发给 plc一个内部信号，启动自动换刀程序。对指令中的目标刀具号和当前主轴刀具号进行比较，如果一致，直接发出换刀完成信号; 如果不一致，启动换刀程序，进入步骤 3，中间变量 p = 2。
步骤 3: z 轴运动到第一参考点位置如图 1c 所示 ( z 轴脱离刀柄的安全位置，一般为 z 轴的第一参考点位置) ，同时主轴准停，中间变量 p = 3［4］。
步骤 4: 判断主轴有没有刀。若没刀，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 = 4，跳转到步骤 5 执行换取新刀程序; 若主轴有刀，则要先取下旧刀再更换新刀，中间变量p = 5，跳转到步骤 4． 1 执行取下旧刀程序。
步骤 4． 1: 主轴有刀时，需要进一步判断当前主轴刀具号与当前刀具号是否相同，若不相同，调用刀库就近换刀子程序，命令刀盘旋转如图 1d 所示，直到当前主轴刀具号与当前刀具号相同，刀盘停止旋转，中间变量 p = 6。
步骤 4． 2 : z 轴运动到第二参考点位置如图 1e 所示( 主轴和刀卡槽配合好的位置) ，将当前主轴上的刀具退回到刀库中对应的刀位上［5］，中间变量 p = 7。
步骤 4． 3: 刀库整体前进到换刀位置如图 1b 所示，到位后刀库气缸的磁性接近开关 b 闭合后发送信号到数控机床的 plc 中，对刀库状态确认无误后，中间变量 p = 8。
步骤 4． 4: 刀库抓刀确认后，主轴上的打刀缸电磁阀通电，主轴吹气松刀。主轴松刀后打刀缸伸出限位开关 c 闭合后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，中间变量 p = 9。
步骤 4． 5: z 轴运动到第一参考点位置如图 1c 所示。中间变量 p = 10，跳转到步骤 6 继续执行换取新刀程序。
步骤 5: 主轴无刀时，刀库整体前进到换刀位置如图 1b 所示，到位后刀库气缸的磁性接近开关 b 闭合后发送信号到数控机床的 plc 中，对刀库状态确认无误后，中间变量 p = 11。
步骤 6: 调用刀库就近换刀子程序，刀盘旋转如图1d 所示，中间变量 p = 12。
步骤 7: z 轴运动到第二参考点位置，如图 1e 所示，气动打刀缸电磁阀断电，主轴抓刀。主轴抓刀后打刀缸收回限位开关 d 闭合后发送信号到数控机床的 plc 中，中间变量 p = 13。
步骤 8: 刀库整体后退到初始位置，如图 1f 所示，到位后刀库气缸的磁性接近开关 a 闭合后发送信号到数控机床的 plc 中，对刀库状态确认无误后，中间变量 p = 14。
步骤 9: z 轴运动到第一参考点位置，如图 1c 所示，换刀结束，主轴定位解除，向数控系统发送换刀完成信号［5］，中间变量 p = 0。
图 1 斗笠式刀库换刀过程动作图
编程方法的重点是将刀库换刀的动作进行分步［6］。每个步骤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骤 1 开始执行。这样不仅使 plc 程序简单、直观，还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［7］。
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1 斗笠式刀库自动换刀过程
斗笠式刀库换刀时，首先比较刀库中当前刀具号是否与主轴刀具号一致，若不一致，先旋转刀库，使整个刀库向主轴方向平行移动，取下主轴上原刀具，当主轴上的原刀具进入刀库的卡槽时，主轴向上移动脱开刀具，主轴移动到安全位置后，这时刀库转动，当目标刀具对正主轴正下方时，主轴下移，使刀具进入主轴锥孔内，刀具夹紧后，刀库退回远离主轴位置，换刀过程结束［9］; 若当前刀具号与主轴刀具号一致，则换刀过程结束 ［9］ 。图 1 所示为斗笠式刀库换刀过程动作图。刀库具体换刀动作过程如下。
步骤 1: 刀库控制系统进行初始化。刀库的 1 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盘转到 1 号刀位位置，然后才能执行初始化命令。初始化后刀盘停在
1 号刀位置上且不装刀，刀盘其他位置装刀，主轴装 1
号刀，将主轴刀具号设置为 1，plc 刀库计数器直接置
1。在不发生乱刀、刀盘旋转至当前主轴刀具号中断和刀盘旋转至目标刀具号中断的时候，只需初始化一次即可。
刀库处于初始位置如图 1a 所示，此时刀库远离主轴。刀库气缸的磁性接近开关 a 闭合后发送信号到数控机床的 plc 中，对刀库状态确认无误后，将每个步骤存储在一个中间变量 p 中，令 p = 1。
步骤 2: 数控系统接到换刀指令之后，将发给 plc一个内部信号，启动自动换刀程序。对指令中的目标刀具号和当前主轴刀具号进行比较，如果一致，直接发出换刀完成信号; 如果不一致，启动换刀程序，进入步骤 3，中间变量 p = 2。
步骤 3: z 轴运动到第一参考点位置如图 1c 所示 ( z 轴脱离刀柄的安全位置，一般为 z 轴的第一参考点位置) ，同时主轴准停，中间变量 p = 3［4］。
步骤 4: 判断主轴有没有刀。若没刀，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 = 4，跳转到步骤 5 执行换取新刀程序; 若主轴有刀，则要先取下旧刀再更换新刀，中间变量p = 5，跳转到步骤 4． 1 执行取下旧刀程序。
步骤 4． 1: 主轴有刀时，需要进一步判断当前主轴刀具号与当前刀具号是否相同，若不相同，调用刀库就近换刀子程序，命令刀盘旋转如图 1d 所示，直到当前主轴刀具号与当前刀具号相同，刀盘停止旋转，中间变量 p = 6。
步骤 4． 2 : z 轴运动到第二参考点位置如图 1e 所示( 主轴和刀卡槽配合好的位置) ，将当前主轴上的刀具退回到刀库中对应的刀位上［5］，中间变量 p = 7。
步骤 4． 3: 刀库整体前进到换刀位置如图 1b 所示，到位后刀库气缸的磁性接近开关 b 闭合后发送信号到数控机床的 plc 中，对刀库状态确认无误后，中间变量 p = 8。
步骤 4． 4: 刀库抓刀确认后，主轴上的打刀缸电磁阀通电，主轴吹气松刀。主轴松刀后打刀缸伸出限位开关 c 闭合后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，中间变量 p = 9。
步骤 4． 5: z 轴运动到第一参考点位置如图 1c 所示。中间变量 p = 10，跳转到步骤 6 继续执行换取新刀程序。
步骤 5: 主轴无刀时，刀库整体前进到换刀位置如图 1b 所示，到位后刀库气缸的磁性接近开关 b 闭合后发送信号到数控机床的 plc 中，对刀库状态确认无误后，中间变量 p = 11。
步骤 6: 调用刀库就近换刀子程序，刀盘旋转如图1d 所示，中间变量 p = 12。
步骤 7: z 轴运动到第二参考点位置，如图 1e 所示，气动打刀缸电磁阀断电，主轴抓刀。主轴抓刀后打刀缸收回限位开关 d 闭合后发送信号到数控机床的 plc 中，中间变量 p = 13。
步骤 8: 刀库整体后退到初始位置，如图 1f 所示，到位后刀库气缸的磁性接近开关 a 闭合后发送信号到数控机床的 plc 中，对刀库状态确认无误后，中间变量 p = 14。
步骤 9: z 轴运动到第一参考点位置，如图 1c 所示，换刀结束，主轴定位解除，向数控系统发送换刀完成信号［5］，中间变量 p = 0。
图 1 斗笠式刀库换刀过程动作图
编程方法的重点是将刀库换刀的动作进行分步［6］。每个步骤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骤 1 开始执行。这样不仅使 plc 程序简单、直观，还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［7］。
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