刀库电气调试中的“找规律法”
2021-8-17 来源： 北京工研精机股份有限公司 作者： 肖 博
摘要:刀库的调试是加工中心电气调试中的一项重要内容，对于调试过程中遇到的具体的问题，尤其是那些随机性的问题，进行详细地记录，认真地观察，透过纷繁的表面现象，找出并总结规律。“找规律法”往往可以缩小排查范围，将问题化难为易，使得问题迎刃而解。
本文列举两个例子，来说明 “找规律法” 在加工中心刀库调试中的应用。一例是 “还刀过程刀套多走问题”，另一例是 “换刀过程中数据的二次刷新问题”。
一、还刀过程刀套多走问题
1.刀库简介
链式刀库如图 1 所示，该刀库采用三相异步电动机配合计数开关进行分度定位，并采用固定式换刀模式（刀具和刀套是一一对应的，刀具号即刀套号），刀库容量为 24。ATC 的各个动作由一系列油缸驱动完成 : 机械手向左 / 向右平移油缸，单元向主轴 / 向刀库油缸，手臂伸出 / 缩回油缸，机械手正 / 反转 180°油缸。
图 1 链式刀库
为了方便描述，将自动刀具交换过程分为三个部分 :
（1）备刀动作 : 刀库分度到 T 代码指定的刀具处，机械手抓完刀备用。
（2）换刀动作 : 该动作过程中，手上刀具和主轴刀具进行交换，刀库门关闭标志着换刀过程结束。
（3）还刀动作 : 该动作过程在刀库侧进行，刀库分度至手上刀号处，将手上刀具还到刀库。
2．问题规律
在 “还刀动作” 中，刀库的初始位置在 2 号刀套处，目标刀套号（即所要还的手上刀具号）为 20。刀库就近找刀套，需要从 2 号刀套处启动逆时针转动至 20 号刀套，见图 2。可是实际动作是 : 刀库逆时针转到 20 号刀套后并没有停止，而是继续转动到 18 号刀套才停止，如图 2所示。即刀库 “多转了” 2 个刀套，导致 “还刀动作” 异常中断，20 号刀具无法正常还到刀库，如图 3 所示。
图 2 刀库转动情况
图 3 还刀中断
对问题现象进行总结，可以得出下面5条规律:
（1）刀库分度中，刀库是多转而不是少转了，并且多转的刀套数总是相同的 : 均为 2 个。
（2）分度错误均发生在“还刀动作”过程。“备刀动作” 虽然也有刀库的分度动作，但是并未遇到分度错误。
（3）每次错误，均是以 2 号刀套为起始位置，20 号刀套为目标位置，除此以外的其他刀套并没有发现类似问题。
（4）分度错误时，刀库的转动方向均为逆时针，而没有顺时针。
（5）该刀库分度错误为偶发，故障间隔时长时短，或者数小时，或者数天。
3.问题分析
既然刀库多转且多转 2 个刀套，首先想到 :刀库转动过程中，图 4 中的计数开关的脉冲信号少了两个，或者说 “丢了两个脉冲”。然而由上面 “问题规律” 中的（2）和（3）可知，“备刀动作” 中刀库分度并未见异常，并且除了 20 以外的其它刀套号的分度也未见异常，由此判断 “丢脉冲” 的猜想是站不住脚的，相关的软件和硬件线路便认为是无误的，这也就大大缩小了问题排查的范围。这里，不妨以 “逆时针转动与多转 2个刀套之间的联系” 为切入点进一步分析。
图 4 计数开关
（1）刀库的转动方向与计数器的计数方向刀库的转动方向与计数器（CTR）的计数方向是紧密相联的，相互统一的。对于该刀库——顺时针转动对应着刀套号的增加，因此，把顺时针转动时对应的计数方向处理为加计数 , 即令 UPDOWN=0。逆时针转动对应着刀套号的减小，因此，把逆时针转动时对应的计数方向处理为减计数，即令 UPDOWN=1。刀库顺时针转动时，MGCCWM=0; 刀库逆时针转动时MGCCWM=1。因此，恰好可以用MGCCWM 来表征 UPDOWN，如图 5 和表 1。
图 5 计数器功能指令
表 1 计数方向 UPDOWN
（2）关于 “2 个刀套” 的一个假设在该例中，若刀库分度正常时，计数过程为表2 中的情形Ⅰ : 计数器为减计数，由 1 连续减到19，相应地，刀套由 2 号逆时针连续转动到 20。
基于生活常识，在这里假设，在减计数的过程中，出现了一次加计数。不妨假设计数器从22 经过一次加计数变为 23，然后又恢复为正常的减计数，那么当计数器再次恢复为 22 时，刀套已经逆时针多转过了两个刀套 : 由 23 号刀套转到 21 号刀套。
这样，当整个计数过程结束时，刀库便逆时针转到了 18 号刀套，较之目标刀套号 20，显然多转了两个刀套，如表 2 中的情形Ⅱ所示。这便将“逆时针方向转动与多转2个刀套”联系起来了。
表 2 计数方向 UPDOWN
基于上述假设，考虑检查确认 : 在刀库逆时针转动过程中到底是否会存在瞬间的加计数，这就需要进一步确认两个内容 :
①在刀库逆时针转动过程中是否会出现UPDOWN=0 的情形，即 MGCCWM=0 的现象，若有，进一步确认（2）。
②在逆时针转动过程中，MGCCWM=0 时是否有计数脉冲信号 CTRA1。
（3）刀库逆时针转动过程中 MGCCWM=0的确认对问题情况进行模拟并在线诊断信号MGCCWM 的通断变化规律。发现在换刀动作中，当机械手单元向刀库侧摆动时，的确存在MGCCWM 被 “瞬间切断” 的现象，复现度极高，几乎每次换刀动作循环中都有出现。进一步顺藤摸瓜，通过研究梯形图发现 MGCCWM 的一个必要条件MROTEB会被瞬间切断，PLC如图6所示，其中 :
UTOMLS: 机械手单元在刀库侧
SIDRLS: 滑板在右侧
MGCCWM: 刀库逆时针转动 R 地址
MGCCWS: 刀库逆时针转动 Y 输出
机械手单元已经移动至刀库侧，而滑板还没有移动到右侧，导致 MROTEB 被切断，进而刀库的逆时针转动 MGCCWM 被切断，正如假设，确实出现了瞬间 MGCCWM=0 的现象。
图 6 MROTEB 和 MGCCWMC
（4）在逆时针转动过程中，M G C C W M= 0 时计数脉冲信号 CTRA1 的确认这里所说的MGCCWM=0，指的就是刀库逆时针转动过程中的 Δt 时间段，如图 7 所示。
图 7 分度故障
①分度错误
在 Δt 期间，如果刀库转动的计数开关恰好被触发了一次，即产生了一个计数脉冲信号CTRA1，这种情况下，图 5 中的 ACT 信号便产生了一个上升沿，那么计数器进行一次加计数。而当滑板右移到位后，MROTEB 又恢复为 1，MGCCWM 也恢复为 1，此时，计数器 CTR1 便恢复为正常的减计数，但最终由于一次加计数而在逆时针方向上多移动了两个刀套。这里，通过 PLC 对 CTRA1 进行实时地跟踪并自锁，验证了在 Δt 期间是有计数脉冲信号CTRA1 的，如图 8 所示。还可以通过数控系统的跟踪画面对相关信号进行更加详细的监视，这里不再赘述。
图 8 CTRA1 的自锁
再试想，在 Δt 期间，如果经历了两次计数器触发，那么刀库多转的刀套数就不是 2，而是4 个了……
②分度 “正常”
虽然在 Δt 时间段内，计数器 CTR1 为加计数类型，但是在该时间段内，如果刀库的计数开关并没有被触发，即没有产生计数脉冲信号CTRA1，这种情况下，图 5 中的 ACT 信号也就没有上升沿，那么计数器不会进行加计数。因此，计数并不会出现问题，刀库的分度动作表现为 “正常”，如图 9 所示。
图 9 分度“正常”
基于以上分析，可知 : 问题间隔时长时短，或者数小时，或者数天，是随机的。
（5）其他现象的解释
通过观察，由于初始刀套号为 2，目标刀套号为 20，刀库逆时针转动的路径较长。在 “机械手单元向刀库侧移动” 的过程中，刀库的分度仍然没有结束，给 Δt 的出现提供了可能，即给问题情况的出现提供了可能，因而问题集中地出现在 20 号刀具的还刀动作中。
加工程序中所涉及的其他的目标刀具号对应的刀库转动路径较短，机械手单元向刀库侧动作还没有来得及执行，即 Δt 还没有来得及出现，刀库已经到达目标刀套位，因此刀库分度表现 “正常”。试想，如果使得 Δt 出现在 “机械手单元向主轴” 转动的过程中，那么分度故障就不再仅仅局限于路径较长的目标刀套了，路径较短的目标刀套也是有可能出现故障的，这里不再赘述。在 “备刀动作” 中，机械手单元向刀库侧的动作以及向主轴侧的动作均是不存在的，相应地，Δt 也就不存在，当然也就不可能出现该故障现象了，所以说，在备刀动作中，未见异常。
4．问题解决
从液压和电气两个方面着手来解决问题。
（1）液压调整
将滑板右移动作的流量略微调大，使得 Δt不再出现，相关液压动作更加协调，稳定性和可靠性随之增强，如图 10 所示。
图 10 流量调整
（2）电气调整
对梯形图稍加处理，将 MGCCWM 和MGCCWS 分别写在两段梯形图中，且 MROTEB只作为刀库反转动作阀 MGCCWS 的一个必要条件，放置在刀库反转输出信号 MGCCWS 的一段中。MGCCWM 一旦接通，便不再受 MR O T EB 的控制，始终保持为 1 直至逆时针转动结束，这就完全避免了计数器的加减方向 UPDOWN 在Δt 时间段内被切断的现象，如图 11 所示。改进措施进一步提升了刀库分度动作的容错能力。经过验证，问题现象消除，问题解决。
图 11 处理完的 MGCCWM 和 MROTEB
二、换刀过程中数据的二次刷新问题
1．刀库简介
盘式刀库如图 12 所示，该刀库采用三相异步电动机配合计数开关进行分度定位，并采用随机式换刀模式（刀具号和刀套号之间并没有一一对应的关系），刀库容量为 24。刀套上（即回刀）、刀套下（即倒刀）、侧门开和侧门关均是由气动电磁阀控制，机械手旋转机构选用凸轮式机构，由三相异步电机驱动一空间凸轮装置按顺序动作。
图 12 盘式刀库
2.问题规律
试切项目为钻孔加工，每加工完一个完整工件，操作者均要通过检具来检验加工尺寸是否合格，这期间，发现偶有废品出现。比如，某次检测完精度 , 通过对孔径尺寸的分析知，2号刀具和 3 号刀具发生了 “刀具对调现象” :2号刀加工了 3 号刀应该加工的孔位，3 号刀却加工了 2 号刀应该加工的孔位。后续的试验中，这种 “刀具对调现象” 又陆续地出现了，比如 :4 号和 5 号刀具，5 号和 9 号刀具。结合加工程序中刀具号的呼叫顺序，如表 3。可总结得该问题现象的规律 :发生对调的两把刀具均无一例外的为程序中“相邻的两把刀具”。问题发生的间隔时长时短，或者数小时，或者数天。
表3 加工程序中的刀号顺序
3．问题分析
刀具的 “ 对调” 现象，直观的表现为 “ 刀库分度” 错误。即执行 “T0 2 M06”，应寻找 2 号刀具并将其换到主轴上，而实际上换到主轴上的却是 3 号刀具 ; 执行 “T03M06”，应寻找 3 号刀具并将其换到主轴上，而实际上换到主轴上的却是 2 号刀具。可是 , 如果只是单纯的 “刀库分度”问题，则刀号错误应表现出很强的随机性，这无法解释问题所表现出来的 “两把刀具相邻” 这一显著特点。
刀库的分度与数据表息息相关，对数据表进行二进制数据的检索是此类型刀库分度的核心，试想，如果在刀库分度之前，数据表就已经出现了差错。那么在进行二进制数据的检索时，自然会出现错误，进而刀库分度错误，最终表现为刀具交换错误，导致加工尺寸不合格。因此有必要对数据表Ⅰ进行确认，该数据表到底是什么样子的呢？实际上，系统上显示的只有Ⅱ号工件加工结束后的当前数据表Ⅱ的内容。
（1）数据表Ⅱ
图 13
查看系统 PMC 参数中的当前数据表Ⅱ，并查看每个刀套中当前所安装的物理刀具，可得表4。正常情况下，数据表中的数据和物理刀具是“捆绑”在一起的，数据反映的即是物理刀具号。但是，表 4 却发现两处错误 :
表 4 数据表Ⅱ
①地址 D107 的数据为 3，与 D107 对应的8 号刀套中存放的物理刀具却为 2 号刀具。②地址 D112 的数据为 2，与 D112 对应的13 号刀套中存放的物理刀具却为 3 号刀具。
（2）数据表Ⅰ
在“Ⅰ号工件加工”过程中，T2正常加工完成，执行 T3…M6, 刀库中的 T3 与主轴上的 T2 进行了物理上的交换，因此 T3 也正常加工完成。基于此，做出推测 :在此交换过程中，2 号刀具和数据表中的数据 3 “捆绑” 在了一起，3 号刀具和数据表中的数据 2 “捆绑” 在了一起。
数据表Ⅰ出现了错误，外部表现为数据表Ⅰ “没有刷新”。然而，由 PLC 逻辑关系可知，既然物理刀具的交换动作已经顺利完成，说明数据更新脉冲 PULSE 产生过，因此确认数据表Ⅰ经历过刷新。
（3）数据表Ⅰ的 2 次刷新
进一步查看 PLC 如图14 知，在ATC 电机运转的条件 M 6 6 M 中“刀库计数开关MGCLS”、“刀套下开关 POTDNLS” 和 “门开开关 SDOPLS” 均为外部开关，在 ATC 电机运转过程中，不妨假设某个开关闪烁了 1 次，那么，PULSE1 便会重来 1 次。这样，数据的刷新也再次重复一次，也就是说，数据表 1 刷新了 2 次，也就表现为 “数据没有刷新”。
图 14 数据表刷新脉冲
其中 :
M66M:ATC 电机运转的条件
TUNCM: 松刀位
TCPM: 松刀指令
STOPLS: 停止位
SDOPLS: 门开开关
PULSE: 数据更新脉冲
4.问题解决
从机械和电气两个方面着手来进行解决。
（1）机械调整
基于 “2.3.3 数据表Ⅰ的 2 次刷新”中的分析，检查 :“ 刀库计数开关 MG C L S ” 、“刀套下开关 POTDNLS”和“刀库侧门开开关 SDOPLS”，发现 “刀库侧门开开 关SDOPLS”有松动，机械上进行调整，使之稳定可靠，避免闪烁现象。
（2）电气调整
由以上的分析可知，将 M66M 做如下的自锁处理，如图 15。这样，有效的消除了外部开关信号的闪烁干扰，提升了 ATC 动作的容错能力，因而 ATC 动作的稳定性和可靠性大大增强。经过验证，问题现象消除，问题解决。
图 15 M66M 的自锁处理
三、总结与展望
对于电气调试期间出现的问题，尤其是随机性的问题，要善于从杂乱无章的信息中总结内在的固有规律，进而大大地缩小问题排查范围，具体问题具体分析，就一定能够探索出问题的根本原因，进而解决问题。两个例子在因果环节中均表现出了显著的 “蝴蝶效应”，这就需要在机床调试中多注重细节，多积累，做总结，做到举一反三，做到触类旁通。
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