【122】 第36卷 第8期 2014-08(下) 收稿日期：2014-03-29
基金项目：江苏省高校科研成果产业化推进项目：中小型机械加工企业KM平台的研究与开发（JHZD2012-28，苏教科 [2012]14号）
作者简介：张爱红（1971 -），男，江苏盐城人，教授，硕士，主要从事数控和机器人等机电一体化技术的科研与教学工作。
应用于自动生产线的数控机床改造设计
Rebuilding design of CNC machine used in automatic production line 张爱红
ZHANG Ai-hong
（无锡职业技术学院，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：B 文章编号：1009-0134(2014)08(下)-0122-04 Doi：10.3969/j.issn.1009-0134.2014.08(下).33
0 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。
1 系统开发
1.1 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、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AUTO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。
1.2 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
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位电磁阀1控制，断电时松开，通电时顶紧。“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/输出信号的定义如表1所示。
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[1,2]。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，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。
1.3 软件编程
以加工中心为例，编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）
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图1 加工中心数控加工程序的结构
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
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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）
M05 M99
为了应用M100代码调用用户宏程序O9020，
必须在编程之前将数控系统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：
N 1 # 1 1 0 8 = 1 / / # 1 1 0 8 （ C N C - > P M C ： 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-333.624Y32.794A324.720F50//
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 X0.5
N9 IF[#1009 NE 1] GOTO 8 //#1009（PMC-
>CNC：G55.1）：机器人上/下料完成
N 1 0 # 1 1 1 1 = 1 / / # 1 1 1 1 （ C N C - 〉 P M C ： F55.3）：控制液压缸顶工件
N11 G04 X1.0
N12 IF[#1011 NE 1] GOTO 11 //#1011（PMC-
>CNC：G55.3）：工件顶紧状态
N13 #1111=0 //F55.3置零，液压缸退回 N14 G04 X0.5
N15 IF[#1012 NE 1] GOTO 14 //#1012（PMC-
>CNC：G55.4）：液压缸退回状态
N 1 6 # 1 1 1 3 = 1 / / # 1 1 1 3 （ C N C - 〉 P M C ： F55.5）：夹紧夹具
N17 G04 X1.0
N18 IF[#1013 NE 1] GOTO 17 //#1013（PMC-
>CNC：G55.5）：工件夹紧状态 N19 #1113=0 //F55.5置零
N 2 0 # 1 1 1 0 = 1 / / # 1 1 1 0 （ C N C - 〉 P M C ： F55.2）：关门
N21 G04 X1.0 //暂停1秒
N22 IF[#1010 NE 1] GOTO 21 //#1010（PMC-
>CNC：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
图3 机床开门控制梯形图程序
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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F55.0[4]，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。
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：
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（如
图4 机床松夹具控制梯形图程序
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。
2 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：
[1] BEIJING-FANUC PMC梯形图语言编程说明书[Z].
BEIJING-FANUC,2003:316-318.
[2] FANUC Series 0i-MODEL D/0i Mate-MODEL D维修说 明书[Z].BEIJING-FANUC,2008：227-228.
[3] FANUC Series 0i-MODEL D/0i Mate-MODEL D参数说 明书[Z].BEIJING-FANUC,2008:2-3.
[4] FANUC Series 0i-MODEL D/0i Mate-MODEL D连接说 明书(功能篇)[Z].BEIJING-FANUC,2008:1247-1249.
