加工中心换刀程序分析

第十章、加工中心换刀程序分析

本章以一台立式加工中心的换刀程序为例，分析换刀程序的程序结构、程序内容，

加工中心的生产厂家为台湾丽伟计算机机械股份有限公司，VB系列机床，采用的是

FANUC-OIMB系统。

该机床的换刀机构包括：刀库、机械手、主轴拉刀机构。刀库采用侧装式，安装在

立柱上，由三相异步电机通过减速机构带动刀库旋转，通过接近开关检测刀库计数和

刀库回零。换刀时位于刀库最下位置的刀套在刀套抬起/落卜.油缸的驱动下可完成抬起

落下动作。机械手的旋转、抬起落下等动作是在机械手电机的驱动下，通过一套凸轮

机构来完成，换刀动作平滑、快速。由接近开关检测机械手的关键位置，配合换刀时

的其它机构的动作。主轴拉刀机构完成主轴刀具的夹紧和松开操作，并有接近开关检

测主轴刀具的夹紧或松开状态。

10」加工中心的换刀程序分析

10.1.1机床及换刀机构

机床外观主轴和机械手

刀套落下动作换刀过程中

10.1.2换刀动作分析

这种类型的加工中心的整个换刀过程包括刀库找刀和换刀两个独立的动作。

刀库找刀也叫刀具调用，当机床的操作者通过程序命令，例如：TI2,从刀库调用12号

刀时，PMC检索12号刀具所在的刀套号，再进行刀库正反转判别，控制刀库旋转；当然还

有手动刀库的旋转操作，完成手动装卸刀具。

换刀动作集合了刀库、机械手、主轴三方面的动作，整个过程是一个顺序动作的过程，

通过顺序动作的步骤一步步完成换刀。以程序控制自动换刀来解释整个换刀过程

换刀步骤5

主轴刀具夹紧

换刀步骤6

机械手旋转60度回原位

换刀步骤7

刀库侧，刀套上（由垂直状态转为水平状态）

换刀完成

10.1.3换刀电路:

刀库正转刀库反转刀套落F刀套抬起主轴刀具松开主轴吹气

NC

UNCLAMP

机械手电刀库正转刀库反转刀套落下刀套抬起主轴刀具主轴吹气

机松开

NC

X8.3X4.4X8.2XL7XI.6X1004.5X0,4X0.2XI008.2X1001.7X2.2X4.5X8,1X2,0X2.1X9.6X9.7

M_V__VVVV__VV__V.V■VVVWM__V__V

XCB104：A4XCBIOI：A3XCB105：B2XCB105：B3XCB104：AllXCB106：BlXCB105：B7XCB106：A4XCB105：A7XCB104：XCB104：A9XCB10I：A8

XCB104：MXCB104：A3XCB105：B2XCB105：B3XCB104：AllXCB106：BlXCB105：B7XCB106；A4XCB105：A7XCB1M：B?XCBI04：A9XCB104：A8

八八A八八夕、八八八八八八n八八八

TURNPANELRef.Bl1page

—o-—o—―<—o-—<

—XTB1A：o3-3—XTB1A：o37-XTBIB：62—XTB1B：o6-3XTB1A：42XTBIB：>6—1IT—B1B"：o5-8XTB1B：59—XTB1B：o57-XTB1A：>乂-―X1—B1A：o29-—XTB1B：o5-6-o-—O--O--O--O—

ARMARMA的1.01HIGHA.T.LMl£BEAIR4TH/iwa4H/!««MANM4GMAG100LTOOLPOTDOIXPOTUP

AXIS/AXISA1IS/&1ISCMP

STOPZEROMIDDLEGEARGEAROVERSTROKEALARMPRESSURE(1AW/CHIPLMXAMYLNLUrTOOLCOINTERCOUNTER1NCIAMPLSLS

POINTPOIVTPOINTALARMUNCLAMPAB-SL.S

BB

刀除停止刀昨原点刀嫁中间低档高档刀长量泅润滑油投气质报警■段■臾/创K松/分发手动松刀刀库计数A刀除计数B刀具夹章刀只松开刀套落卜刀套抬起

MA

点点(OPTION)(POTION)过行程警按键限电开关一位开关限位弁关限位开关

(OPTION)

10.1.4换刀程序地址说明:加工中心的换刀程序比较复杂庞大，所涉及的地址较多，为便于阅

读梯形图程序，将所涉及的地址放在附录。

10.1.5换刀程序介绍

该机床的PLC类型为SB7,下图是该程序的清单，与换刀有关的程序内容出现在一级程序、

二级程序，没有为换刀专门编写子程序。

因为，换刀过程中机械手动作较快，机械手的60度、中间点、18()度的检测信号出现的时

间很短，所以将这部分的程序放在一级程序:保证8ms能处理到这种信号。

军ProgramListCJ||BIS3

D:\桌面VLiwei.LAD

j。Title

_JSystenparameter

-OSymbolcomment

：口I/OKodule

CJMessage

SOLadder

OLEVEL1

LULEVEL2

日口Sub-progran

(LjS(0-7)

Qj/o-15

lUPANEL

回K-DEC

UJT-INI.

gVIND/S

皿2*JIG

：•LJDuplicateCoil

-JCollectiveDisplay

口UserFolder

在二级程序中，换刀程序包含:刀具检索、换刀过程状态记忆、手动换刀、自动换刀。

一级程序中的换刀程序分析:一级程序中只是将需要快速处理的换刀程序信号做了一个收

集，没有顺序动作，包括乂下处理内容：

(1)机械手返回点、中间点、停止点的程序分析：

I、k3.l用来设定机械手接近开关的类型,当接近开关使用常开触点时，设定k3.1为I,使用常

闭触点时，设定k3.1为0。三段程序处理机械手返回点、中间点、停止点的信号。

2、该机床的换刀机械手采用凸轮机构，动作快，机械手位置信号都是窄脉冲信号，将这些信

号的处理放在一级程序，保证每8ms有一次刷新。

3、机械手有两个中间停止点，6()度和180度两个位置，在60度位置时，机械手电机继续

旋转但机械手不转，而执行机械手向下拔刀；在180度位置时，机械手电机继续旋转机械手

不转，而执行向上装刀。用一个接近开关配合两个检测挡块，当机械手转到这两个位置时

R529.0均为lo

X0004.4K0003.1R0549.2

)—Q—ARXRETURNPOINT

—x-ARNO

X0004.4K0003.1

X0008.2K0003.1R0549.3

0ARMMIDDLEPOINT

:ARM60ARM60

X0008.2K0003.1

:ARM60

X0008.3K0003.1R0529.0

—>——r-0^-ARMSTOPPOINT

:ARMSPARMSTP

X0008.3K0003.1

―OK11

:ARMSP

(2)机械手离开停止点

R529.2处理的是机械手离开停止点的状态，表示机械手已开始转动，后面程序中处理机械

手60度旋转到位、180度旋转到位等都用到这个信号。当机械手旋转60度、180度延时到

达后将R529.2复位。k7.6为1时设定机械手的停止点使用60度和180度到达信号。

当K7.6为。时，使用主轴刀具夹紧松开标志信号.

ESCAPEARMSTOPPOINT

(3)在机械手旋转到60度、180度时，机械手电机继续旋转，但是根据凸轮的结构，机械

手停止旋转，开始机械手拔刀、装刀动作。以下程序处理机械手60度、180度的到达信号,

程序的原理是:在自动换刀步骤中(第二步A2-R540.1;第四步A4-R540.4;第六步A6-R541.0),

机械手从离开停止点R529.2到检测到机械手停止信号R529.0,即是到达了60度、180度位

置。这些位置到达信号一个目的是用于启动下一个换刀岁骤，另一个目的是控制机械手电机

的旋转。

ARM60ROTATIONARRIVAL

ARM180ROTATIONARRIVAL

ARM-60ROTATIONARRIVAL

(4)主轴刀具夹紧、松开故障处理

在机械手转到60度时检测是否有主轴刀具松开X2.I的错误信号.

TOOLUNCLAMPFAIL

TOOLCLAMPFAIL

(5)主轴刀具松开处理：

主轴刀具松开包括自动刀具松开和手动刀具松开，根据自动换刀动作在机械手旋转60度到

达、拔刀过程、换刀过程、机械手装刀过程自动刀具松开。手动刀具松开是手动方式下，按

送到按钮来执行。

从程序中分析，自动刀具松开是在第二步骤R540.1情况下，当机械手旋转到达60度

R529.3后启动。当机械手再旋转180度R529.4到达后，下一个动作是主轴刀具夹紧。

自动刀具松开R538.O或手动刀具松开R537.7时，输出主轴刀具松开Y6.3,加工中心的

主轴刀具夹紧机构在刀具夹紧时，是通过蝶形弹簧的弹力来保持的，当松刀时，增压气缸活

塞杆伸出压缩蝶形弹簧，使松刀机构松开刀具，控制气缸换向的电磁阀是单作用阀。所以没

有刀具夹紧的输出信号。

R0540.1R0529.3R0529.4R0539.1K0007.6R0538.0

—IIII~r-^IIII0^-AUTOTOOLUNCLAMP

A2A60ARAl8OARTCHPATUCL

R0538.0

ATUCL

R0537.7Y0006.3

F-ii—]—SPINDLETOOLUNCLAMP

TUCLAU>TUCLP

R0538.0

PHt—1

|ATUCL

(6)机械手电机旋转处理

根据自动换刀的顺序过程，组合出在哪一个步骤机械手电机需要旋转，通过“或”逻辑

完成。

M95是机械手故障检查指令，R544.5用于检测机械手是否在停止位，如果不在正确的停

止位置，执行M95指令时机械手继续旋转到正确位置。k7.6为1时设定机械手的停止点使

用60度和180度到达信号，当K7.6为。时，使用主轴刀具夹紧松开标志信号.

刀库计数处理程序，X4.5为计数开关输入地址，由K5.7来设定选用其常开触点或常闭触点,

用典型的上升沿下降沿处捶程序获得计数脉冲（R530.1上升沿信号，R531.7下降沿信号），

使用基本逻辑指令编辑上升沿和下降沿指令比使用上升沿和下降沿功能指令节省程序的处

理时间。

R500.0为置1逻辑，用于给计数器的控制条件赋值。

R0500.0R0500.0

LOGIC1

L1L1

R0500.0

-HF-

L1

X0004.5K0005.7

MAGCOUNTERA

:CTPAMGCTA

X0004.5K0005.7

1一

—SCTsRAt

R0529.6R0530.0R0530.1

—IF-MAGCOUNTONPULSE

MGCTAMGCT-AMGCT+

R0529.6R0530.0R0531.7

--0--MAGCOUNTEOFFPULSE

MGCTAMGCT*AMGCT-

R0529.6R0530.0

--0--MAGCOUNTPULSEAUX

MGCTAMGCT+A

刀库计数说明：

计数器的初始值为1(R500.0),根据刀库的旋转方向(R531.3)来决定是正计数还是负计数。

不对计数器进行复位(R500.0)

刀库正转(R531.0)或反转(R531.3)时，对计数开关脉冲(R530.1)进行检测计数。

D11。是计数器的预设值，也就是刀库容量。

D100记录的是当前的刀套号。

R0530.3

—Q—MAGCOUNTFUNCTION

MGCTOP

(8)刀库旋转处理

以下为刀库正转控制:R530.4为刀库手动正转启动，R536.0为刀库自动正转启动，由检索程

序判别，指定刀库正转启动。

R0530.4R0531.3R0531.4R0531.0

—II—IHQ-MAGCW

MGCWAMGCCWMAGOKMGCW

R0536.0

—MGACIWI-

R0531.0R0531.2

MGCWMGCWDL

以下为刀库反转控制:R530.5为刀库手动反转启动，R536.1为刀库自动反转启动，由检索程

序判别，指定刀库反转启动。

R0530.5RO531.OR0531.4R0531.3

—II—II—Q—MAGCCW

MGCCWAMGCWMAGOKMGCCW

R0536.1

—II—

MGACCW

R0531.3R0531.6

MGCCWMCCWDL

R0531.0Y0003.7Y0003.6

—II—MAGCW

MGCW>MGCCW>MGCW

R0586.0

$"MGCW

R0531.3Y0003.6Y0003.7

-HI*-@MAGCCW

MGCCW>MGCW>MGCCW

R0584.4

$"MCCW

二级程序中换刀程序的分析：

1、刀库手动旋转控制：包括刀库准备处理、手动正转/反转

刀库准备好信号条件包括：机床准备好FL7、急停信号G8.4、刀库错误条件R536.5、刀库

换刀位置刀套在抬起位R539.3。

F0001.7G0008.4R0536.5R0532.2

II4F---0--MAGOKi

TMAI*-E-SPMGERRMAGOK1

R0532.2R0539.3R0531.4

/x

MAG0K1PTUPDLMAGOK

刀库手动正、反转控制。条件：不在刀具检索过程中R534.2,在手动方式R513.1、按刀库

旋转按钮R584.3/按刀库正转按钮R577.O

R0534.2R0584.3R0513.1R0577.0R0575.4R0530.6

——#1|1|1|#0—MAGMANUALCWON

TSRHON§"MGONMANUAL$]MGCWS]MCCWMGMCW1

R0534.2R0584.3R0513.1R0575.4R0577.0R0530.7

1|1|1|*一0~~MAGMANUALCCWON

TSRHON§"MGONMANUAL$]MCCW$]MGCWMGCCW1

刀库正转启动程序，按刀库手动启动按钮，刀库正转;当刀库电机开始正转后，R530.4被复位。

执行的结果是按刀库正转陵钮，刀库转位；松开按钮后，刀库再转一个刀套位。

R0530.6R0530.5R0531.3R0532.2R0530.4

TI#JF-r-IHQMAGCWAUX

MGMCWlMGCCWAMGCCWMAGOK1MGCWA

R0530.4Y0003.6R0539.2

TI*II—1

MGCWA>MGCWARM0DL

刀库反转启动程序，按刀库手动反转按钮，刀库反转后;当刀库电机反转运行后，R530.4被复

位。执行的结果是按刀库反转按钮，刀库转位；松开按钮后，刀库再转一个刀套位。

R0530.7R0530.4R0531.0R0532.2R0530.5

—II*II0MAGCCWAUX

MGCCW1MGCWAMGCWMAGOK1MGCCWA

R0530.5Y0003.7R0539.2

-HI*11

MGCCWA>MGCCWARMODL

2、换刀时刀具表的处理：刀具表的处理流程

刀库容量D110的赋值：由K地址定义刀库的容量

K8.5=0,K5.1=0:刀库容量为20：

K8.5=0,K5.1=l:刀库容量为24；

K8.5=1,K5.1=O:刀库容量为30：

K8.5=1,K5.1=1:刀库容量为32；

刀具表D112的的赋值:刀库的容量D110+1

数据转换(BIN-BCD)：D112-D125

D100-D120

从刀具表中读出当前刀套存放的刀具号

判断主轴刀号、指令刀号、刀库刀套号的关系

刀具容量赋值：K85K5.1用于设定刀库容量:K8.5=(),K5.1=0,刀库容量为20;K8.5=(),K5.1=1,

刀库容量为24;K8.5=l,K5.1=0,刀库容量为30;K8.5=1,K5.1=1,刀库容量为32；NUMEB为

定义二进制常数指令，在程序中指定数据格式为两字节，将指定的数据赋值到DUO,DUO

存储刀库容量数据。

刀具表的赋值：DI10定义刀库容量，D112定义为刀库容量+1,其作用是为刀具表容量赋值.

D112为刀具表长度，这样，在刀具表D112中，D0可存储主轴刀号，D1存储一号刀套的刀

具号。以此类推，直到最后一个刀套。

R0500.0RSTR0660.6

L1

R0500.0ACT

L1

数据转换：进行BIN-BCD码的转换，主要用于COIN指令，COIN指令只能进行BCD码的

一致性判别，D125的数据是刀具表的最大值，用来判别主轴刀号、待位刀号是否为空刀号。

R0500.0BYTR0660.6

W

-41SUB14D0112U

L1DCNVPTNUM1

R0500.0CNV

—D0125

L1PTNUM2

R0500.0RST

—

L1

R0500.0ACT

II

II

L1

对当前刀套号D100进行BCD码转换成D120,用于对当前刀套号内刀具号码的检索判别。

R0551.2

犷CTTDIAn(ii_______________________.-___

41UUXVVu

LlDCNVCACPI

R0500.0CNV

—D0120

LlCACP2

R0500.0RST

—*

Ll

R0500.0ACT

II

II

Ll

读出当前刀套内的刀具号：XMOVE指令为二进制编址数据传送指令，在这里这条指令从刀

套表里读出当前刀套安装的刀具号，D112是刀套表的容量，D000是刀套表的首地址，D100

是当前刀套号码，按照此号码，在刀套表中找出对应的刀具号，写到R587.

R0500.0RWR0660.6

IF________________A_

才（SUB350001U

L1XMOVB

R0500.0RST

IF

41D0112

L1PTNUM1

R0508.7R0500.0ACT

IfII

AiIID0000

M70LISP.NO

R0587

CUTBIN

D0100

CACPI

判断主轴刀号、指令刀号、刀库刀套号的关系，再换刀时，使用到这些判断条件。

1、判断主轴是否是空刀

R0500.0BYTR0525.1

IF___________________________P____

SUB160001u

LlCOINSP=EMP

R0500.0ACT

IID0125

LlPTNUM2

R0687

SPTBCD

2、判断主轴刀号是否等于指令刀号

VJ—J・一

If_

41SUB160001kJ

LlCOINSP=POT

R0500.0ACT

II

IID0120

LlCACP2

R0687

SPTBCD

3、刀套内是否有刀

R0500.0BYTR0525.3

XISUB160001U

L1COINPT=EMP

R0500.0ACT

II

IID0125

L1PTNUM2

R0684

CUTBCD

3、刀具检索处理：当执行T指令时，PMC首先在刀具表内检索出T指令的刀具存放在哪一

个刀套内，刀具检索的处理的流程是：

刀具检索的使能处理

T代码的转换

刀库刀具检索：从刀库中找出指令刀具的刀套号

刀库旋转控制：将指令刀具的刀套旋转到换刀位

刀具检索完成：为换刀做准备

刀具检索使能处理：检索更能条件包括:刀套在抬起位R539.4,刀库停止状态R532.1.Z库没

有报警R536.5,换刀没有报警R544.2O数控发出T指令F7.3后启动R534.0并保持住，当检

索的刀具在刀库换刀位刀套位置R535.4或指令刀具在主轴上时，检索使能复位。

R0539.4F0007.3R0532.1R0534.0R0536.5R0544.2G0008.4R0534.0

TOOLSEARCHEKADLE

PTDNDLMAGON：

R0534.0R0535.4R0535.6R0546.0

T—4F

TF1TCOIK1TCOSP1M95KEP

R0512.7

TFIN

T代码的转换，该条指令完成刀具指令代码的BIN到BCD转换，为后面进行指令刀具与检

索到的刀具进行一致性判别指令做准备。

R0500.0BYTR0551.2

AIlFSUB14F0026u।­

LlECNVTCODE

R0500.0CNV

—*R0686

LlTCODE1

F0001.1RST

||

II

RST

R0500.0ACT

II

Ll

DSCHB为二进制检索指令,在程序中检索指令刀具所在的刀套号,DU2指定刀据表的大小,

D00定义刀具表的首地址，F26指令的刀具号，R690存储检索山指令刀具所在的刀套号码。

F0001.1RSTR0534.5

IISUB3400010TOOLON.SEARCHERROR

RSTDSCHBSHERR

R0534.3ACT

IID0112

TSRH+PTNUM1

D0000

SP.NO

F0026

TCODE

R0690

TPBIN

DCNV数据转换：进行数据BIN-BCD的转换，转换的数据用于判断指令刀具所在的无套号

与待位的刀套号是否一致。

R0500.0BYTR0660.6

IZa

/flSUB14R0690U

LiDCNVTPBIN

R0500.0CNV

―R0691

LITPBCD

R0500.0RST

—*

LI

R0534.3ACT

II

TSRH+

二进制方向判断:DI10刀库容量，D100当前刀库计数值，R690为刀具刀套号地址，R689为

刀具刀套号的前一个刀号地址，R534.7为刀具检索启动旨号。

R0500.0RNOR0535.0

—IISUB260001—MAGROTATIONCSf/CCW

L1ROTBMGROT

R0500.0DIR

1D0110

力-POTNUM

R0500.0POS

D0100

CACPI

R0500.0INC

R0690

L1TPBIN

R0534.7ACT

R0689

RTOROSTBI

R0534.2R0535.0R0535.3R0535.5R0523.4R0536.0

IIIfIKIfIf________________________

IIAl41*11AlMAGAUTOCW

TSRHONMGROTTCOINTCOSPDRITL4MGACW

R0534.2R0535.0R0535.3R0535.5R0523.4R0536.1

IIIIirIfIfMAGAUTOCCW

IIII-414141u

TSRHONMGROTTCOINTCOSPDRITL4MGACCW

数据转换：用于判断指令刀具所在的刀套号的前一个刀号与计数刀套号是否一致。

R0500.0RYTRIXV06V6V0V•6V

4I1KSUB14R0689U

L1DCNVROSTBI

R0500.0CNV

—*R0692

L1ROTSBC

R0500.0RST

—*

L1

R0534.7ACT

II

II

RTO

判断刀库实际计数刀套号与指令刀具刀套号的前一个刀号是否一致，如果一致刀库开始减

速。

R0500.0BYTRC—J11

IfSUB160001TOOLSEARCHDEC

LICOINTDEC

R0534.2ACT

II

IIR0692

TSRHONROTSBC

D0120

CACP2

4、刀具交换数据处理：机械手进行180度旋转步骤时，主轴刀具与刀套的刀具进行了交换,

此时需要修改刀具表。使用XMOVB二进制变址数据传送，完成在R537.0\R549.0时刻读出当

前刀套的刀具号。

D112刀库容量，D000数据表初始地址存放主轴刀具，D100刀库当前刀套号。R693存放当

前刀套内的刀具号。刀具数据交换过程：D100->R693

D000->D1(X)

MOVEERROR2

XMOVB二进制变址数据传送，完成在R537.3\R549.0时亥J将主轴刀号写入到当前刀套之刀具

号码，完成刀具数据交换。

D112刀库容量，D000数据表初始地址，D100刀库当前刀套号。D00存放主轴的刀具号。

R0500.0RW

IISUB35・DATAMOVEERROR

II0001\J

L1XMCVBMOVERI

R0500.0RST

WD0112

L1PTNUM1

R0537.3ACT

II

IID0000

A180-SP.NO

R0549.0

IID0000

M&5TCHSP.NO

D0100

CACPI

逻辑与数据传送：将临时屎留的当前刀套号刀具传送到主轴刀号。

R0537.3ACT

SUBe1111

A180-MOVE

R0549.0

II

II