应用于自动生产线的数控机床改造设计

1、应用于自动生产线的数控机床改造设计张爱红（无锡职业技术学院, 江苏 无锡 214121）摘要：随着制造业自动化的快速发展，数控机床在自动生产线上的应用越来越多。根据自动生产线控制要求需要进行数控机床改造设计。文中以配置FANUC 0i D系统的数控机床为例，给出了一种通过修改机床PMC程序，并以数控编程方式“读/写”用户宏程序变量的方法，最终成功实现了机床联机自动化控制。关键词：数控机床；机床可编程控制器；宏程序中图分类号：TP271+.4 文献标识码：BRebuilding design of CNC machine used in automatic production lineZHAN

2、G Ai-hong(Wuxi Institute of technology，Wuxi 214121，China)Abstracts: With the rapid development of manufacturing automation, the combination application of CNC machine and industrial robots in automatic production line is becoming more and more widely. According to the control requirements of product

3、ion line , the rebuilding of CNC machine is essential. One rebuilding method used for CNC machine configured with FANUC 0i Dsystem is put forward in this paper. PMC program of CNC machine should be modified and user macro variables can be read and written by NC programming in this method. As a resul

4、t, the automation of CNC machine in production line can be realized.Key Words: CNC machine; PMC; Macro program1 引言随着制造业自动化发展的要求，数控机床与工业机器人组合形成自动化系统的需求越来越多。工业机器人的应用集中于手爪设计、示教程序的编制以及与外围设备的输入/输出接线或通信连接，一般无须修改机器人控制软件。相比较而言，数控机床需要进行自动化改造设计，增加液压夹具、自动门等控制功能，同时还应能够接受上位控制系统（PLC控制器或工业控制计算机IPC等）的调度指令，实时反馈机床运行信

5、息等，因此需要进行机床PMC程序设计与调试。文中以配置FANUC 0i D数控系统的车床、加工中心为例，给出了一种通过修改机床PMC程序，以数控编程方式“读/写”用户宏程序变量，最终实现机床自动化改造的方法。2 系统开发2.1 技术路线系统由两台数控加工设备与一台工业机器人以及物料输送装置等组成。机器人位于两台机床中间，其作用是通过接收PLC控制器的信号，实现从上料到加工完成所有工序的自动搬运功能。机器人不直接与机床通信，它接受PLC的控制指令，并反馈运行的状态。传统的模式都是采用PLC为调度控制器，数控机床与机器人一样接受控制指令，包括：开门、关门，松/紧夹具等，并实时地将运行状态信息：门开

6、、门关，夹具松/紧等反馈至控制PLC。基于控制可靠性、运行安全性等方面考虑，本系统采用了一种新的调度模式，机床的运行由数控加工程序控制，按程序执行的顺序控制门开/关，调度机器人上/下料，控制工件的顶/松，以及夹具夹紧等动作，而机器人的示教程序，主要完成工件的抓取、移位以及夹具的松开控制等。以加工中心为例，其控制时序如图1所示。为了实现机床自动化改造中所要求的基本动作，包括自动门开/关，卡盘松/紧，工件顶/松，夹具松/紧等，需分为手动、自动控制两种情形修改机床PMC程序。手动控制时，由操作人员通过机床组合按键，例如JOG模式下，同时按下上、下方向键开门，左、右方向键关门等。自动控制时，即在AUT

7、O模式下执行数控程序，一方面可以通过读/写用户宏程序系统变量，完成CNC与PMC的信息交互，达到以数控编程方式实现机床基本动作控制的目的。另外机器人在上/下料过程中，也可发出松开夹具等指令，说明系统具备由机器人控制器发送指令的功能。图1 加工中心数控加工程序的结构2.2 设备改造设备改造主要包括一台配置FANUC 0i mate TD系统的数控车床和一台配置FANUC 0i D系统的立式加工中心。车床改造增加了气动门；立加的改造除增加自动门外还有顶/松机构与夹紧机构。除门控制采用气动外，其余均由液压驱动，液压站系统的控制原理如图2所示。工件“顶/松”由两位电磁阀1控制，断电时松开，通电时顶紧。

8、“夹紧/松开”由两位四通电磁阀2控制，夹紧信号由压力继电器检测并输入机床PMC。顶松控制液压缸、卡盘控制液压缸以及门控制气缸均有到位检测信号，作为机床侧PMC的输入信号。以加工中心改造为例，输入/输出信号的定义见表1。表1 加工中心输入/输出接口信号（机床改造增加）输入信号信号定义输出信号信号定义X7.0门开状态（来自磁性开关）Y6.0开门（动作）X7.1门关状态（来自磁性开关）Y6.1关门（动作）X7.2机器人调度完成（来自机器人）Y6.2调度机器人（至机器人）X7.3夹具夹紧状态（来自压力继电器）Y6.3夹紧夹具（至电磁阀2）X7.4夹具松开状态（定时器延时5秒）Y6.4松开夹具（至电磁阀

9、2）X7.5轴向顶紧状态（来自行程开关）Y6.5顶工件（至电磁阀1）X7.6轴向松开状态（来自行程开关）Y6.6未定义（备用）X10.3夹紧夹具指令（来自机器人）Y6.7液压站电机控制X10.4松开夹具指令（来自机器人）Y7.7机床报警、急停状态图2 加工中心液压系统原理图PMC程序设计可与外部输入/输出接线同步进行。车床出厂的PMC程序比较长，自带的输入/输出点数几乎全部用完，在改造过程中新增了一块I/O板，型号为A20B-2002-0521（不带手轮），有关I/O模块的扩展方法详见文献12。模块连接需按照I/O LINK连接顺序要求，将上一模块（I/O板）的JD1A口接至本模块的JD1B，

10、上电后板上的LED灯正常点亮。在PMC程序修改后机床运行时，曾一度出现“ER03 PROGRAM SIZE ERROR（OPTION）”报警，主要在于车床配置了FANUC 0i mate TD系统，其PMC型号为0i-D PMC/L，修改后的梯形图程序超出了PMC规定的最大长度，后经程序优化，删除不必要的网络，报警解除。加工中心的PMC型号为0i-D PMC，梯形图程序长度容量大，改造设计中没有出现类似的报警。PMC程序设计时考虑到手动与自动两种控制方式的要求，如图3所示，自动运行时串接了F3.5（MMEM）的常开触点，而手动运行时则串接了F3.5的常闭触点。2.3 软件编程以加工中心为例，编

11、写的数控程序包括主程序O100、用户宏程序O9020和加工子程序O1001，其中O100编写较为简单，程序结束用M99而非M30（或M02），可以确保程序的循环执行，如需停机调试，应按下机床面板上的RESET（复位）按键。用户宏程序O9020由M100指令调用，用于实现机床基本动作的控制，零件的加工则由子程序O1001完成。不难发现：上述程序功能的分离有利于系统开发过程中人员的分工与协作，便于提高系统开发的效率。其中O100程序编写如下：M100 /调用O9020宏程序M98 P1001 /调用1001号子程序（加工零件）M05M99为了应用M100代码调用用户宏程序O9020，必须在编程之前

12、将数控系统6080号参数设为100，有关数控参数的设置方法详见文献3。自动模式下机床基本动作的实现由O9020宏程序读/写系统变量完成，代码如下：N1 #1108=1 /#1108（CNC->PMC：F55.0）：开门N2 G04 X1.0 /暂停1秒N3 IF#1008 NE 1 GOTO 2 /#1008（PMC->CNC：G55.0）：门开状态N4 #1108=0 /F55.0置零/调用机床坐标系G53指令，绝对值编程，同时应撤销刀具长度G49与半径补偿值G40。G90G53G01Z0F50/先回Z轴的零点G90G53G01X-333.624Y32.794A324.720F5

13、0/再回机器人X、Y、A轴上下料的位置N5 #1109=1 /#1109（CNC->PMC：F55.1）调度机器人（上/下料）N6 G04 X2.0 /暂停1秒N7 #1109=0 /F55.1置零N8 G04 X0.5N9 IF#1009 NE 1 GOTO 8 /#1009（PMC->CNC：G55.1）：机器人上/下料完成N10 #1111=1 /#1111（CNC-PMC：F55.3）：控制液压缸顶工件N11 G04 X1.0N12 IF#1011 NE 1 GOTO 11 /#1011（PMC->CNC：G55.3）：工件顶紧状态N13 #1111=0 /F55.3

14、置零，液压缸退回N14 G04 X0.5N15 IF#1012 NE 1 GOTO 14 /#1012（PMC->CNC：G55.4）：液压缸退回状态N16 #1113=1 /#1113（CNC-PMC：F55.5）：夹紧夹具N17 G04 X1.0N18 IF#1013 NE 1 GOTO 17 /#1013（PMC->CNC：G55.5）：工件夹紧状态N19 #1113=0 /F55.5置零N20 #1110=1 /#1110（CNC-PMC：F55.2）：关门N21 G04 X1.0 /暂停1秒N22 IF#1010 NE 1 GOTO 21 /#1010（PMC->C

15、NC：G55.2）：门关状态N23 #1110=0 /F55.2置零M99 /子程序结束并返回主程序以“开门”控制为例，梯形图程序如图3所示。O9020用户宏程序中先将系统变量#1108置1，而#1108变量对应于CNC输出至PMC的接口信号F55.04，接着在PMC程序中读取该信号以控制机床开门，机床门开到位（X7.0）后，门开信号作为机床侧信号输入至PMC，经处理后驱动G55.0信号，而G55.0状态对应于系统宏变量#1008的值，因此可在宏程序中调用语句IF#1008 NE 1 GOTO 2来判断门是否打开，若门开则继续执行下段程序，否则处于等待状态。其他动作的控制与“开门”动作类似，不

16、再赘述。机器人上/下料有一固定位置，为了安全起见，先调用G90G53G01Z0F50，回Z轴零点，接着调用G90G53G01X-333.624Y32.794A324.720F50，回机器人上下料位置。图3 机床开门控制梯形图程序机器人上/下料过程中需要具备松开夹具功能，该指令由机器人控制器发送至西门子PLC，然后由西门子PLC输出至机床侧（X10.4），PMC程序设计如下：图4 机床松夹具控制梯形图程序自动模式下时，F3.5常开触点闭合，X10.4接通后，输出驱动Y6.4线圈并保持，电磁阀2（图2所示）松夹具电磁铁得电，经4号固定定时器（TMRB）延时5秒后置位Y7.4，输出夹具处于松开状态信息。3 结束语文中介绍的方法已成功实施于无锡职院智能工厂自动生产线、上海高级技工学校自动生产线。实践表明：通过修改机床PMC程序，辅以数控编程的方法进行自动线上数控机床改造设计具有开发周期短、开发成本低，便于现场人员的分工协作与调试等优点，因此具有较高的推广应用价值。参考文献：1BEIJING-FANUC PMC梯形图语言编程说明书M.BEIJING-FANUC,2003:3163182FANUC Series 0i-MODEL D/0i Mate-MODEL D维修说明书M.BEIJING-FANUC,2008：2272283FANUC Series 0i-MODEL D/0