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1、摘 要国内某汽车公司下属的某发动机工厂以批量生产某一型号汽车发动机为主。大部分设备生产缸体缸盖的进口卧式加工中心 。配置世界著名数控系统制造商 日本Fanuc公司与世界著名电气制造商通用电气集团联合开发的数字控制系统GE-Fanuc 18i-MB（SD7）。机床上配备9-10个电机，其中换刀系统是用二个伺服轴来实现。换刀过程由代码M6调用宏程序O9006，移动换刀系统伺服轴与主轴配合来完成换刀过程。在加工过程经常需要换刀后，需要转动工件，加工另一个面的内容。 由于换刀过程是代码 M6调用宏程序来实现的 ，所以无法 这样写加工代码：M6 Txxx Bxxx，以便让回转工作台在换刀时就转动到加工位
2、置，从而减少等待时间。本课题就是提出利用Fanuc公司数控系统自带的PMC轴控制功能改造设备。介绍了PMC轴控制功能的PMC程序的设计，解决伺服轴换刀系统在换刀过程中联动轴不足的缺点。目标要求在换刀过程中转动工作台，换刀后直接加工，不用等待工作台。以实际降低生产节拍时间，增加产能，提高单位时间内的产出效益。关键词：PMC轴 降低 节拍时间AbstractA domestic Motor Co. engine plant makes mass production of a type engine mainly, working cylinder blocks and heads mostly
3、uses import horizontal machine center equipped with GE-Fanuc 18i-MB(SD7), which joint developed by famous numerical control system producer Fanuc and famous electrical manufacturer GE. Tool changer uses two servo axis in the machines with 910 motors. Macro O9006 called using an M6 code is specified
4、to move tool changer servo axis and spindle. Therefore it cant not use code M6 Txxx Bxxx to reduce waiting time.This issue is the study of using Fanucs built-in PMC axis control functions to optimize machine. Introduce how to set up PMC to solve the lack of linkage belong tool changer servo system.
5、Require tool changer and rotating workpiece are working in the same time, after that machining without waiting. It can reduce production time, increase production capacity and improve the efficiency.Keyword: PMC axis reduce production time目 录引 言11 GE-Fanuc 数控系统轴控制功能的分析22 PMC轴控制功能的介绍32.1 PMC 轴可实现的运动功
6、能32.2 PMC 轴的控制方式框图32.3 PMC 轴控制的两个必要条件42.4 PMC轴控制功能的信号43 PMC轴控制功能指令 PMC AXCTL74 PMC轴控制功能指令 PMC AXCTL应用举例85 编写CNC程序96 数学建模97 PMC轴控制功能PMC程序的编写11结 论14参考文献15致 谢16附 录17引 言按常规来说，卧式加工中心在换刀的时候特别是用伺服轴做的换刀系统更不允许回转工作台转动的。但是我们可以利用GE-Fanuc公司控制系统自带的PMC轴控制功能可以解决加工代码编写的问题也弥补了伺服轴换刀系统在换刀过程中联动轴不足的缺点。在换刀的过程中将回转工作台（直线轴）提
7、前转动（移动）到加工位置，换刀结束后再切换到CNC轴控制。 这个过程节约了换刀后再次转动（移动）工作台的时间。利用这个设计可减少工作台转动（移动）的时间约0.20.5s。在一些换刀后需要比较频繁转动工作台或转动速度较慢的大型工作台节约时间更为可观。本文以回转工作台为B轴为例。（注：0i-mate 不具备PMC 轴控制功能）1 GE-Fanuc 数控系统轴控制功能的分析凡使用过 FANUC 系统的技术人员都知道，Fanuc系统主要使用三种轴控制功能： CNC控制轴、PMC控制轴、I/O LINK控制轴。以这三种控制功能占用的资源来分析， CNC控制轴执行系统插补指令，占用系统基本轴和联动轴；PM
8、C 控制轴虽然也占用系统基本轴但是不占用系统联动轴资源；I/O LINK控制轴不占用系统轴也不占用联动轴资源，只占用I/O点(128个输入点/128个输出点每个轴)。三种方式使用资源如下表：Fanuc三种轴控制功能使用资源CNC控制轴PMC控制轴I/O LINK控制轴承占用系统基本轴占用系统基本轴不占用系统基本轴占用系统联动轴PMC控制其运动，不占用系统联动轴不占用系统联动轴优缺点优点：二种控制功能可以切换缺点：占用I/O点且不能切换通过上面的比较我们可以发现PMC轴控制功相对于I/O LINK轴控制功能 具有得天独厚的优势。第一、PMC控制轴可以与CNC轴自由的切换，不受限于硬件的限制。由于
9、CNC控制轴功能的参与，加工精度切实可靠。 第二、PMC 控制轴不需要像I/O LINK控制轴那样改动硬件。只需在PMC程序里使对应的G信号点为1即可。使用结束后再令对应的G信号为0即切换回CNC轴控制，执行系统插补指令。以上二大优点可以使得不另外增加联动轴数、不更改硬件的情况下，令加工过程中最大限度地优化。可以使得企业不增成本的情况下利用设备最大潜能，增加产出，达到利益的最大化。2 PMC轴控制功能的介绍轴运动三要素：运动方式（G00、G01 .）, 运动位移X_ip，运动速度Fxxxx 用PMC 轴控制时是由PMC给出的，而不用系统的插补指令。PMC 轴与目前常用I/O LINK 轴不同，
10、I/O LINK 轴通过I/O LINK 总线进行指令的传输，不占用基本轴（详细说明请查看I/O LINK 轴的控制）。而PMC 轴为基本轴之一，只是其指令来源不同，作用也有所区别。使用PMC 控制坐标轴，能控制刀架、交换工作台、分度工作台和其它外围装置。（注：0i-mate 不具备PMC 轴控制功能）这句话，此处似无必要2.1 PMC 轴可实现的运动功能(1) 快速移动指令的距离。(2) 切削进给每分进给，移动指令的距离。(3) 切削进给每转进给，移动指令的距离。(4) 跳转每分进给，移动指令的距离。(5) 暂停。(6) 连续进给。(7) 参考点返回。(8) 第1 参考点返回。(9) 第2
11、参考点返回。(10) 第3 参考点返回。(11) 第4 参考点返回。(12) 外部脉冲同步主主轴。(13) 外部脉冲同步第1 手轮。(14) 外部脉冲同步第2 手轮。(15) 外部脉冲同步第3 手轮（仅适用于M 系列）。(16) 进给速度控制。(17) 辅助功能，第2 辅助功能，第3 辅助功能。(18) 机床坐标系选择。(19) 扭矩控制。2.2 PMC 轴的控制方式框图 2.3 PMC 轴控制的两个必要条件1 ）轴选信号EAX1-EAX8 (QG1089-QG1096 分别对应1-8 轴)2 ）参数8010 各轴对应的通道号？二者缺一不可。其中轴选信号是发送给NC的请求信号，它是向NC说明对
12、应的NC轴转为PMC轴，即该轴是否受PMC 控制；通道号是向NC说明PMC利用相应通道的信号向指令通道如下图所示：CNCPMCDI/DO组A组B组C组D来自通道1指令 来自通道2指令来自通道3指令来自通道4指令2.4 PMC轴控制功能的信号可以删掉对于GE-Fanuc 18i-MB ,系统提供4 个通道的指令，分别对应A,B,C 和D 4 组指令，对4 个轴进行控制。可以一个通道对应一个轴的指令地址，也可以一个通道同时对应几个轴的指令地址（在8010中设定相同的通道号），但此时这几个轴的指令相同，运动动作相同。用于PMC 轴控制的输入/输出信号的名字总是包含一个小写“g”，象EBUFg。但实际
13、并没有EBUFg 这种信号。由EBUFg 表示的实际信号各是EBUFA，EBUFB，EBUFC 和EBUFD，它们分别对应于信号A 组（通道1）， B 组（通道2），C 组（通道3）和D 组（通道4）。下图以A 组为例：主要信号的意义：时序图如下所示：当命令1的执行完成时：n 命令2从等待缓冲区传输到执行缓冲区；n 命令3从输入缓冲区传输到等待缓冲区；n 命令4传输到输入缓冲区作为指令程序段（轴控制程序段数据信号）。输入缓冲区接收到命令4以后，PMC 把命令5发送到CNC（轴控制程序段数据信号被设定）。用从PMC输入的轴控制指令读取信号EBUFg 和从CNC输出的轴控制指令读取完成信号EBSY
14、g的异或能判断CNC 缓冲区的状态以及PMC程序段的执行。EBUFg EBSYg异或(XOR)CNC 缓冲区状态0 1 0 10前一程序段已经读进CNC 缓冲区。PMC 可以发出下个程序段。0 1 1 01前一程序段还没有读完。正在读或等待CNC 缓冲区变为可用。不发出下个程序段，也不反转EBUFg 的逻辑状态。反转EBUFg 的状态，会使已经发出的程序段无效。当两个信号的异或值为0时，该段程序即可执行，轴即运动。？3 PMC轴控制功能指令 PMC AXCTL在GE-Fanuc 18i-MB控制系统中，PMC轴控制程序已经做成了一个标准的联单功能块。在编程的时候只需要调用这个功能块，并按要求给
15、定参数即可正常工作。程序设计上不用考虑数据输入、输出 和缓冲器之间的时序关系。 这使得程序非常简明扼要，可靠性高，而且便于故障诊断。在实际加工中，因为不同的加工需要，B 轴每次转动角度不一定相同； 所以也要求设计的控制功能做到灵活地控制B轴转动角度。经过充分考虑、对比，决定使用宏变量#1133来传递B轴转动角度。通过加工在程序中对宏变量#1133赋值再用MOVE指令移动到R变量里面。在R变量里经过一些运算和整形变换，最后将合格的值作为PMC控制功能块PMC AXCTL的参数进而使B轴按要求运动。查阅相关的资料，得出了PMC AXCTL的参数要求如下表：OperandsOperandData T
16、ypeMemory AreaDescriptionRBOOL variableI*,Q*,M*,S*ResetGRPINT variable or constantI*,Q*,M*,S*,RDI/DO signal groupCMDWORD variable or constantI*,Q*,M*,S*,RAxis control commandDT1DINT variable or constantI*,Q*,M*,S*,RInstruction data 1DT2DINT variable or constantI*,Q*,M*,S*,RInstruction data 2QBOOL va
17、riableQ*,M*,SKCompletion flagERRBOOL variableQ*,M*,SKError outputR参数是复位开关，一旦接通就会复位整个指令。GRP是选择数据输入输出的通道，它与参数8010里面设置的轴数据是对应的。也就是说当参数8010里面B轴设置为3，在写B轴的PMC控制指令时这里就要对应设置为3。CMD是选择要执行的运动方式指令，具体运动方式指令见附录。DT1与DT2是CMD里面设置功能的说明数据。就要例子里面写的，要快速移动一个轴就要在这里描述轴的移动距离和移动速度。Q是输出完成信号，是功能块向外部说明PMC已经完成了这个功能块设定的任务，可以执行下一个
18、工作了。ERR是英文errorr的缩写，如果在PMC轴控制过程中发生了报警就会在这里输出，方便调试诊断。4 PMC轴控制功能指令 PMC AXCTL应用举例 如下图，当PMC轴控制选择开关%I00001接通，PMC轴控制复位开关%I00002断开的时候，PMC AXCTL指令就得到了使能，可以开始工作了。在本例子里，PMC AXCTL指令的参数GRP设置为3，CMD设置为%R00010=0，DT1设置为%R00011， DT2设置为%R00013，Q设置为%Q00002，ERR设置为%Q00003。 这就表明了我们将要控制的轴的信息。GRP设置为3即表明将使用C组通道的指令；CM设置为0表明执
19、行的是直线快速移动；轴的移动速度由DT1=%R00011提供；轴的移动距离由DT2=%R00013向系统说明。在这里，轴移动的三要素已经确定下来，并传递给了PMC。如果此时PMC轴控制的二个必要条件也满足要求，机床就能马上运行起来。一旦轴运动完成就会接通信号%Q00002，如果移动过程中发生错误或报警，报警号立即也会输出%Q00003，方便查找原因。在这个控制指令里，可以接通%I00002去复位指令。5 编写CNC程序编写CNC控制程序如下，即可令本设计PMC轴按要求运行。a、未经过改进前的普通程序% 0099 其他轴控制程序 N100 G56N300 M6 Txxx （调用换刀宏程序O 90
20、06）N400 B180 加工生产程序M30b、改进后的程序% 0099 其他轴控制程序 N100 G56N200 #1133=180+#917*1000(POS B)N300 M6 Txxx （调用换刀宏程序O 9006）N400 B180 加工生产程序M306 数学建模普通加工的程序使用PMC轴控制功能的程序% 0099 其他轴控制程序 N100 G56N300 M6 Txxx （调用换刀宏程序O 9006）N400 B180 加工生产程序M30% 0099 其他轴控制程序 N100 G56N200 #1133=180+#917*1000(POS B)N300 M6 Txxx （调用换刀宏
21、程序O 9006）N400 B180 加工生产程序M30对比二个加工程序我们可以发现，使用PMC轴控制功能的程序只比普通加工程序多了一句CNC语句。而且还是一个赋值语句，消耗的时间非常短，小于2ms。由此我们可以得出下面的数据。普通加工程序需要的时间为：N100以前的时间（Tn100）+换刀时间(Tchange)+B轴转台转动的时间(Tturn)使用PMC轴控制功能程序的时间为：N100以前的时间（Tn100）+换刀时间(Tchange)+CNC传送宏变量#1133值到PMC的时间（小于2ms）(Tread)（Tn100）+(Tchange)+ (Tread)- （Tn100）+(Tchang
22、e)+ (Tturn)= (Tturn)- (Tread)2ms即如果每次换刀后需要转动工作台的过程可以节约节拍时间(Tturn)- (Tread)2ms如果在复杂的加工程序中有多次这样的动作，节约的时间还为可观。T总=N(Tturn)- (Tread)2ms7 PMC轴控制功能PMC程序的编写 根据PMC控制轴的要求和需要达到的功能，B轴的转动位置设宏变量#1133传送给PMC，并且B轴的位置能通过宏变量#917微调。 PMC AXCTL功能块通道参数GRP设置为3，使用C通道的指令；所以参数8010中B轴设置为3。其它参数与CNC控制轴模式共用。编写PMC程序如下：注：以上示例PMC程序与
23、机床设定有关，仅供参考。在实际应用中请自行设计。若照搬以上程序损坏机床，本文作者概不负责。结 论 ？本设计在上汽通用五菱发动机工厂正常使用 ,而且使用方便、工作可靠 , 充分使用了系统的多种功能。在不增加CNC联动轴数、不更改系统硬件的情况下，仅须改动PMC程序就能更大限度地发掘设备潜能，给企业带来巨大的经济效益。本在实际的生产中具有设计、调试方便，恢复还原简单。只需把原来备份的PMC程序重新输入系统，就能恢复还原机床。不但体现了柔性制造的精髓，更体现出了科学技术是第一生产力伟大方针。但要指出的是 ,设计人员对电动机惯量要有充分的认识,并在参数上留下充裕量， 以确保系统在B 轴高速往复运动时不
24、会产生过流 (I2t) 报警。如果情况充许，尽量使用低惯量的电机。参考文献 1 马胜.PMC轴的控制.北京发那科机电公司技术部.2006.122 张源修.FANUC系统PMC轴的控制程序设计.宁江机床集团股份有限 公司.2005.103 B-63530CM/02 参数说明书.日本Fanuc公司.2005.84 GFKE-0216-EN Connection manual (Function).GE-Fanuc公司.2005.015 B-63823EN/02 SD7编程说明书.GE-Fanuc公司.2007.86 FANUC LADDER-C 功能块说明书.GE-Fanuc公司.2008.037
25、 梯形图指令手册.GE-Fanuc公司.2008.028 Proficy Machine Edition软件自带的帮助文档.GE-Fanuc公司.2008.01 9 B63523EN1/03功能连接说明书.日本Fanuc公司.2008.0410 B-61863E_14 PMC编程说明书.日本Fanuc公司.2002.05致 谢首先诚挚的感谢指导老师毛丹丹，老师悉心的教导使我得以一窥机械设计制造及其自动化领域的深奥，不时的讨论并指点我正确的方向，使我在这些年中获益匪浅。老师对学问的严谨更是我辈学习的典范。本论文的完成另外亦得感谢北京Fanuc机电公司的王玉琪技术顾问大力协助，及北京Fanuc机电
26、公司黄晓培训课课长的支持、北京Fanuc机电公司马胜工程师在硬件及软件上支持，以及北京Fanuc机电公司李聪工程师和北京Fanuc机电公司彭凯工程师对我研究上的指教评点。因为有你们的体谅及帮忙，使得本论文能够更完整而严谨。感谢不厌其烦的上汽通用五菱汽车有限公司发动机工厂陶庆才主任工程师和上汽通用五菱汽车有限公司发动机工厂申红森工程师指出我研究中的缺失，且总能在我迷惘时为我解惑，也感谢同学们的帮忙，恭喜我们顺利走过这两年。一起学习的时光当然也不能忘记，同学间的相互帮忙及搞笑我铭感在心。女朋友在背后的默默支持更是我前进的动力，没有的体谅、包容，相信这两年的生活将是很不一样的光景。最后，谨以此文献给
27、我挚爱的双亲。附 录PMC轴运行方式控制代码表：轴控制指令( 十进制代码)操 作00快速移动(直线加/减速)执行通常由CNC 的G00 一样的操作。01切削进给每分进给（插补后指数加/减速或直线加/减速）执行通常由CNC 的G94G01 一样的操作。02切削进给每转进给（插补后指数加/减速或直线加/减速）执行动作如同由CNC 的G95G01 一样的操作。03跳转每分进给执行通常由CNC 的G31 G01 一样的操作。04暂停执行通常由CNC 的G04 一样的操作。05参考点返回根据参数No.1006 的5 位，ZMIX 设定的参考点返回方向，以快速移动方式移动刀具，然后，执行通常由CNC 执行
28、的手动参考点返回一样的操作。06连续进给（指数加/减速）以JOG 进给方式在指定的方向上移动刀具。执行与CNC 的JOG 进给一样的操作。07第1 参考点返回执行与CNC 的G28 指定的经中间点将刀具定位到参考点时一样的操作。08第2 参考点返回执行与CNC 的G30P2 指定的经中间点定位到参考点时一样的操作。09第3 参考点返回执行与CNC 的G30P3 指令的经中间点定位到参考点时一样的操作。10第4 参考点返回执行与CNC 的G30P4 指令的经中间点定位到参考点时一样的操作。11外部脉冲同步主主轴与主主轴同步。12外部脉冲同步第1 手轮与第1 手轮同步。注意：运动方式均以10 进制代码定义。
