刀庫電氣調試中的“找規律法”
2021-8-17 來源： 北京工研精機股份有限公司 作者： 肖 博
摘要:刀庫的調試是加工中心電氣調試中的一項重要內容，對于調試過程中遇到的具體的問題，尤其是那些隨機性的問題，進行詳細地記錄，認真地觀察，透過紛繁的表面現象，找出并總結規律。“找規律法”往往可以縮小排查范圍，將問題化難為易，使得問題迎刃而解。
本文列舉兩個例子，來說明 “找規律法” 在加工中心刀庫調試中的應用。一例是 “還刀過程刀套多走問題”，另一例是 “換刀過程中數據的二次刷新問題”。
一、還刀過程刀套多走問題
1.刀庫簡介
鏈式刀庫如圖 1 所示，該刀庫采用三相異步電動機配合計數開關進行分度定位，并采用固定式換刀模式（刀具和刀套是一一對應的，刀具號即刀套號），刀庫容量為 24。ATC 的各個動作由一系列油缸驅動完成 : 機械手向左 / 向右平移油缸，單元向主軸 / 向刀庫油缸，手臂伸出 / 縮回油缸，機械手正 / 反轉 180°油缸。
圖 1 鏈式刀庫
為了方便描述，將自動刀具交換過程分為三個部分 :
（1）備刀動作 : 刀庫分度到 T 代碼指定的刀具處，機械手抓完刀備用。
（2）換刀動作 : 該動作過程中，手上刀具和主軸刀具進行交換，刀庫門關閉標志著換刀過程結束。
（3）還刀動作 : 該動作過程在刀庫側進行，刀庫分度至手上刀號處，將手上刀具還到刀庫。
2．問題規律
在 “還刀動作” 中，刀庫的初始位置在 2 號刀套處，目標刀套號（即所要還的手上刀具號）為 20。刀庫就近找刀套，需要從 2 號刀套處啟動逆時針轉動至 20 號刀套，見圖 2。可是實際動作是 : 刀庫逆時針轉到 20 號刀套后并沒有停止，而是繼續轉動到 18 號刀套才停止，如圖 2所示。即刀庫 “多轉了” 2 個刀套，導致 “還刀動作” 異常中斷，20 號刀具無法正常還到刀庫，如圖 3 所示。
圖 2 刀庫轉動情況
圖 3 還刀中斷
對問題現象進行總結，可以得出下面5條規律:
（1）刀庫分度中，刀庫是多轉而不是少轉了，并且多轉的刀套數總是相同的 : 均為 2 個。
（2）分度錯誤均發生在“還刀動作”過程。“備刀動作” 雖然也有刀庫的分度動作，但是并未遇到分度錯誤。
（3）每次錯誤，均是以 2 號刀套為起始位置，20 號刀套為目標位置，除此以外的其他刀套并沒有發現類似問題。
（4）分度錯誤時，刀庫的轉動方向均為逆時針，而沒有順時針。
（5）該刀庫分度錯誤為偶發，故障間隔時長時短，或者數小時，或者數天。
3.問題分析
既然刀庫多轉且多轉 2 個刀套，首先想到 :刀庫轉動過程中，圖 4 中的計數開關的脈沖信號少了兩個，或者說 “丟了兩個脈沖”。然而由上面 “問題規律” 中的（2）和（3）可知，“備刀動作” 中刀庫分度并未見異常，并且除了 20 以外的其它刀套號的分度也未見異常，由此判斷 “丟脈沖” 的猜想是站不住腳的，相關的軟件和硬件線路便認為是無誤的，這也就大大縮小了問題排查的范圍。這里，不妨以 “逆時針轉動與多轉 2個刀套之間的聯系” 為切入點進一步分析。
圖 4 計數開關
（1）刀庫的轉動方向與計數器的計數方向刀庫的轉動方向與計數器（CTR）的計數方向是緊密相聯的，相互統一的。對于該刀庫——順時針轉動對應著刀套號的增加，因此，把順時針轉動時對應的計數方向處理為加計數 , 即令 UPDOWN=0。逆時針轉動對應著刀套號的減小，因此，把逆時針轉動時對應的計數方向處理為減計數，即令 UPDOWN=1。刀庫順時針轉動時，MGCCWM=0; 刀庫逆時針轉動時MGCCWM=1。因此，恰好可以用MGCCWM 來表征 UPDOWN，如圖 5 和表 1。
圖 5 計數器功能指令
表 1 計數方向 UPDOWN
（2）關于 “2 個刀套” 的一個假設在該例中，若刀庫分度正常時，計數過程為表2 中的情形Ⅰ : 計數器為減計數，由 1 連續減到19，相應地，刀套由 2 號逆時針連續轉動到 20。
基于生活常識，在這里假設，在減計數的過程中，出現了一次加計數。不妨假設計數器從22 經過一次加計數變為 23，然后又恢復為正常的減計數，那么當計數器再次恢復為 22 時，刀套已經逆時針多轉過了兩個刀套 : 由 23 號刀套轉到 21 號刀套。
這樣，當整個計數過程結束時，刀庫便逆時針轉到了 18 號刀套，較之目標刀套號 20，顯然多轉了兩個刀套，如表 2 中的情形Ⅱ所示。這便將“逆時針方向轉動與多轉2個刀套”聯系起來了。
表 2 計數方向 UPDOWN
基于上述假設，考慮檢查確認 : 在刀庫逆時針轉動過程中到底是否會存在瞬間的加計數，這就需要進一步確認兩個內容 :
①在刀庫逆時針轉動過程中是否會出現UPDOWN=0 的情形，即 MGCCWM=0 的現象，若有，進一步確認（2）。
②在逆時針轉動過程中，MGCCWM=0 時是否有計數脈沖信號 CTRA1。
（3）刀庫逆時針轉動過程中 MGCCWM=0的確認對問題情況進行模擬并在線診斷信號MGCCWM 的通斷變化規律。發現在換刀動作中，當機械手單元向刀庫側擺動時，的確存在MGCCWM 被 “瞬間切斷” 的現象，復現度極高，幾乎每次換刀動作循環中都有出現。進一步順藤摸瓜，通過研究梯形圖發現 MGCCWM 的一個必要條件MROTEB會被瞬間切斷，PLC如圖6所示，其中 :
UTOMLS: 機械手單元在刀庫側
SIDRLS: 滑板在右側
MGCCWM: 刀庫逆時針轉動 R 地址
MGCCWS: 刀庫逆時針轉動 Y 輸出
機械手單元已經移動至刀庫側，而滑板還沒有移動到右側，導致 MROTEB 被切斷，進而刀庫的逆時針轉動 MGCCWM 被切斷，正如假設，確實出現了瞬間 MGCCWM=0 的現象。
圖 6 MROTEB 和 MGCCWMC
（4）在逆時針轉動過程中，M G C C W M= 0 時計數脈沖信號 CTRA1 的確認這里所說的MGCCWM=0，指的就是刀庫逆時針轉動過程中的 Δt 時間段，如圖 7 所示。
圖 7 分度故障
①分度錯誤
在 Δt 期間，如果刀庫轉動的計數開關恰好被觸發了一次，即產生了一個計數脈沖信號CTRA1，這種情況下，圖 5 中的 ACT 信號便產生了一個上升沿，那么計數器進行一次加計數。而當滑板右移到位后，MROTEB 又恢復為 1，MGCCWM 也恢復為 1，此時，計數器 CTR1 便恢復為正常的減計數，但最終由于一次加計數而在逆時針方向上多移動了兩個刀套。這里，通過 PLC 對 CTRA1 進行實時地跟蹤并自鎖，驗證了在 Δt 期間是有計數脈沖信號CTRA1 的，如圖 8 所示。還可以通過數控系統的跟蹤畫面對相關信號進行更加詳細的監視，這里不再贅述。
圖 8 CTRA1 的自鎖
再試想，在 Δt 期間，如果經歷了兩次計數器觸發，那么刀庫多轉的刀套數就不是 2，而是4 個了……
②分度 “正常”
雖然在 Δt 時間段內，計數器 CTR1 為加計數類型，但是在該時間段內，如果刀庫的計數開關并沒有被觸發，即沒有產生計數脈沖信號CTRA1，這種情況下，圖 5 中的 ACT 信號也就沒有上升沿，那么計數器不會進行加計數。因此，計數并不會出現問題，刀庫的分度動作表現為 “正常”，如圖 9 所示。
圖 9 分度“正常”
基于以上分析，可知 : 問題間隔時長時短，或者數小時，或者數天，是隨機的。
（5）其他現象的解釋
通過觀察，由于初始刀套號為 2，目標刀套號為 20，刀庫逆時針轉動的路徑較長。在 “機械手單元向刀庫側移動” 的過程中，刀庫的分度仍然沒有結束，給 Δt 的出現提供了可能，即給問題情況的出現提供了可能，因而問題集中地出現在 20 號刀具的還刀動作中。
加工程序中所涉及的其他的目標刀具號對應的刀庫轉動路徑較短，機械手單元向刀庫側動作還沒有來得及執行，即 Δt 還沒有來得及出現，刀庫已經到達目標刀套位，因此刀庫分度表現 “正常”。試想，如果使得 Δt 出現在 “機械手單元向主軸” 轉動的過程中，那么分度故障就不再僅僅局限于路徑較長的目標刀套了，路徑較短的目標刀套也是有可能出現故障的，這里不再贅述。在 “備刀動作” 中，機械手單元向刀庫側的動作以及向主軸側的動作均是不存在的，相應地，Δt 也就不存在，當然也就不可能出現該故障現象了，所以說，在備刀動作中，未見異常。
4．問題解決
從液壓和電氣兩個方面著手來解決問題。
（1）液壓調整
將滑板右移動作的流量略微調大，使得 Δt不再出現，相關液壓動作更加協調，穩定性和可靠性隨之增強，如圖 10 所示。
圖 10 流量調整
（2）電氣調整
對梯形圖稍加處理，將 MGCCWM 和MGCCWS 分別寫在兩段梯形圖中，且 MROTEB只作為刀庫反轉動作閥 MGCCWS 的一個必要條件，放置在刀庫反轉輸出信號 MGCCWS 的一段中。MGCCWM 一旦接通，便不再受 MR O T EB 的控制，始終保持為 1 直至逆時針轉動結束，這就完全避免了計數器的加減方向 UPDOWN 在Δt 時間段內被切斷的現象，如圖 11 所示。改進措施進一步提升了刀庫分度動作的容錯能力。經過驗證，問題現象消除，問題解決。
圖 11 處理完的 MGCCWM 和 MROTEB
二、換刀過程中數據的二次刷新問題
1．刀庫簡介
盤式刀庫如圖 12 所示，該刀庫采用三相異步電動機配合計數開關進行分度定位，并采用隨機式換刀模式（刀具號和刀套號之間并沒有一一對應的關系），刀庫容量為 24。刀套上（即回刀）、刀套下（即倒刀）、側門開和側門關均是由氣動電磁閥控制，機械手旋轉機構選用凸輪式機構，由三相異步電機驅動一空間凸輪裝置按順序動作。
圖 12 盤式刀庫
2.問題規律
試切項目為鉆孔加工，每加工完一個完整工件，操作者均要通過檢具來檢驗加工尺寸是否合格，這期間，發現偶有廢品出現。比如，某次檢測完精度 , 通過對孔徑尺寸的分析知，2號刀具和 3 號刀具發生了 “刀具對調現象” :2號刀加工了 3 號刀應該加工的孔位，3 號刀卻加工了 2 號刀應該加工的孔位。后續的試驗中，這種 “刀具對調現象” 又陸續地出現了，比如 :4 號和 5 號刀具，5 號和 9 號刀具。結合加工程序中刀具號的呼叫順序，如表 3。可總結得該問題現象的規律 :發生對調的兩把刀具均無一例外的為程序中“相鄰的兩把刀具”。問題發生的間隔時長時短，或者數小時，或者數天。
表3 加工程序中的刀號順序
3．問題分析
刀具的 “ 對調” 現象，直觀的表現為 “ 刀庫分度” 錯誤。即執行 “T0 2 M06”，應尋找 2 號刀具并將其換到主軸上，而實際上換到主軸上的卻是 3 號刀具 ; 執行 “T03M06”，應尋找 3 號刀具并將其換到主軸上，而實際上換到主軸上的卻是 2 號刀具。可是 , 如果只是單純的 “刀庫分度”問題，則刀號錯誤應表現出很強的隨機性，這無法解釋問題所表現出來的 “兩把刀具相鄰” 這一顯著特點。
刀庫的分度與數據表息息相關，對數據表進行二進制數據的檢索是此類型刀庫分度的核心，試想，如果在刀庫分度之前，數據表就已經出現了差錯。那么在進行二進制數據的檢索時，自然會出現錯誤，進而刀庫分度錯誤，最終表現為刀具交換錯誤，導致加工尺寸不合格。因此有必要對數據表Ⅰ進行確認，該數據表到底是什么樣子的呢？實際上，系統上顯示的只有Ⅱ號工件加工結束后的當前數據表Ⅱ的內容。
（1）數據表Ⅱ
圖 13
查看系統 PMC 參數中的當前數據表Ⅱ，并查看每個刀套中當前所安裝的物理刀具，可得表4。正常情況下，數據表中的數據和物理刀具是“捆綁”在一起的，數據反映的即是物理刀具號。但是，表 4 卻發現兩處錯誤 :
表 4 數據表Ⅱ
①地址 D107 的數據為 3，與 D107 對應的8 號刀套中存放的物理刀具卻為 2 號刀具。②地址 D112 的數據為 2，與 D112 對應的13 號刀套中存放的物理刀具卻為 3 號刀具。
（2）數據表Ⅰ
在“Ⅰ號工件加工”過程中，T2正常加工完成，執行 T3…M6, 刀庫中的 T3 與主軸上的 T2 進行了物理上的交換，因此 T3 也正常加工完成。基于此，做出推測 :在此交換過程中，2 號刀具和數據表中的數據 3 “捆綁” 在了一起，3 號刀具和數據表中的數據 2 “捆綁” 在了一起。
數據表Ⅰ出現了錯誤，外部表現為數據表Ⅰ “沒有刷新”。然而，由 PLC 邏輯關系可知，既然物理刀具的交換動作已經順利完成，說明數據更新脈沖 PULSE 產生過，因此確認數據表Ⅰ經歷過刷新。
（3）數據表Ⅰ的 2 次刷新
進一步查看 PLC 如圖14 知，在ATC 電機運轉的條件 M 6 6 M 中“刀庫計數開關MGCLS”、“刀套下開關 POTDNLS” 和 “門開開關 SDOPLS” 均為外部開關，在 ATC 電機運轉過程中，不妨假設某個開關閃爍了 1 次，那么，PULSE1 便會重來 1 次。這樣，數據的刷新也再次重復一次，也就是說，數據表 1 刷新了 2 次，也就表現為 “數據沒有刷新”。
圖 14 數據表刷新脈沖
其中 :
M66M:ATC 電機運轉的條件
TUNCM: 松刀位
TCPM: 松刀指令
STOPLS: 停止位
SDOPLS: 門開開關
PULSE: 數據更新脈沖
4.問題解決
從機械和電氣兩個方面著手來進行解決。
（1）機械調整
基于 “2.3.3 數據表Ⅰ的 2 次刷新”中的分析，檢查 :“ 刀庫計數開關 MG C L S ” 、“刀套下開關 POTDNLS”和“刀庫側門開開關 SDOPLS”，發現 “刀庫側門開開 關SDOPLS”有松動，機械上進行調整，使之穩定可靠，避免閃爍現象。
（2）電氣調整
由以上的分析可知，將 M66M 做如下的自鎖處理，如圖 15。這樣，有效的消除了外部開關信號的閃爍干擾，提升了 ATC 動作的容錯能力，因而 ATC 動作的穩定性和可靠性大大增強。經過驗證，問題現象消除，問題解決。
圖 15 M66M 的自鎖處理
三、總結與展望
對于電氣調試期間出現的問題，尤其是隨機性的問題，要善于從雜亂無章的信息中總結內在的固有規律，進而大大地縮小問題排查范圍，具體問題具體分析，就一定能夠探索出問題的根本原因，進而解決問題。兩個例子在因果環節中均表現出了顯著的 “蝴蝶效應”，這就需要在機床調試中多注重細節，多積累，做總結，做到舉一反三，做到觸類旁通。
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