內(nèi)容提要：講述了應(yīng)用西門子840D數(shù)控系統(tǒng)刀具管理功能實(shí)現(xiàn)KOLB加工中心刀具管理的方法，分別就主要機(jī)床參數(shù)、刀庫配置、NC編程和PLC編程進(jìn)行了說明。
關(guān)鍵詞： 刀具管理  加工中心  840D
Function Application of Tool Management in SIEMENS 840D
on Seventeen-axis Machine Centre from KOLB
HU Guoqing
Abstract：.The method that applying tool management function of SIEMENS 840D CNC system to realize tool management on machine centre from KOLB is expatiated, including  main machine parameters, tool magazine setup, NC programming and PLC programming.
Keywords：Tool management；Machine centre；840D
1.        概述
加工中心通常帶有刀庫和附件庫，選擇一個(gè)高效可靠的刀具管理方案是加工中心設(shè)計(jì)與改造過程中必須著重考慮的。
原德國KOLB公司的CUBIMAT T/IT/VT/HT系列五面體龍門加工中心產(chǎn)品具有基本相同的機(jī)床結(jié)構(gòu)，如圖1是VT2500型帶移動(dòng)分度臺(tái)的17軸機(jī)床示意圖，它具有3個(gè)刀庫U1/U2/U3、1個(gè)附件庫U（自帶3個(gè)附件頭）、1個(gè)裝卸刀庫U4，配置2個(gè)機(jī)械手E1/E2及其水平移動(dòng)軸V、垂直移動(dòng)軸Q和旋轉(zhuǎn)軸E3。主加工區(qū)有常規(guī)的工作臺(tái)X軸、滑座水平移動(dòng)Y軸、滑枕垂直移動(dòng)Z軸、橫梁同步垂直移動(dòng)W/W1軸和主軸C，另外配有移動(dòng)式分度臺(tái)A軸。

               圖1  CUBIMAT VT2500機(jī)床軸示意圖
SIEMENS 840D數(shù)控系統(tǒng)可選配刀具管理功能，它具有刀具裝載、卸載、重新定位等功能，提供刀具管理數(shù)據(jù)修改功能FC塊和后臺(tái)數(shù)據(jù)塊作為PLC接口，根據(jù)刀庫結(jié)構(gòu)形式來組態(tài)，靈活方便、功能強(qiáng)大，可適用于轉(zhuǎn)塔式、鏈?zhǔn)?、抽屜式以及一些特殊結(jié)構(gòu)的刀庫。
換刀、換附件通過NC編程與PLC編程相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)，NC程序控制相應(yīng)的軸移動(dòng)，一定的步驟完成即通知PLC修改刀具管理數(shù)據(jù)，使其與實(shí)際狀態(tài)始終保持一致。由于刀庫有關(guān)的10個(gè)數(shù)控軸通常分配在第2通道，NC編程時(shí)需注意兩個(gè)通道之間的程序協(xié)調(diào)。如果將這些軸改變?yōu)镻LC軸，則可以通過PLC程序來控制軸移動(dòng)，為方便調(diào)試及點(diǎn)動(dòng)操作，可設(shè)置單鍵切換回NC軸。
 
2.        機(jī)床參數(shù)
MD18080——通用刀具管理功能定義，它有10位，分別激活相應(yīng)的刀具管理功能，可根據(jù)機(jī)床需求設(shè)定。
MD20310——通道刀具管理功能定義，它有24位，分別對(duì)應(yīng)不同的單項(xiàng)功能方式，可根據(jù)機(jī)床特點(diǎn)設(shè)定，但其低4位應(yīng)與MD18080一致。
MD18082——刀具數(shù)量：150，最多600把
MD18084——刀庫數(shù)量：8，最多32個(gè)
MD18086——刀位數(shù)量：120，最多600個(gè)
MD18100——每個(gè)TOA域中刀沿?cái)?shù)量：500，最大值＝MD18082×MD18106
MD20110——復(fù)位功能模式，它有18位，決定NC復(fù)位后的各功能狀態(tài)，如位6對(duì)應(yīng)刀具偏置，結(jié)合MD20120和MD20130等參數(shù)決定刀具長度補(bǔ)償在復(fù)位后是否保持有效；位14＝1對(duì)應(yīng)基本零偏在復(fù)位后保持有效。
MD20112——啟動(dòng)功能模式，它有18位，各位與MD20110完全一致。
MD22550——新刀具補(bǔ)償生效方式：1
MD22560——換刀M功能：6，表示換刀指令為M06
T指令對(duì)應(yīng)刀具準(zhǔn)備，M06對(duì)應(yīng)換刀。T2指令對(duì)應(yīng)換附件準(zhǔn)備，M2＝6對(duì)應(yīng)換附件。刀具補(bǔ)償在M功能完成后生效。
MD28085——TOA域功能鏈接，如果需要在第2通道中能運(yùn)行通道1中所有關(guān)于刀具管理的功能，則設(shè)置通道1和通道2中該參數(shù)均為1（假設(shè)只設(shè)置了1個(gè)TOA）。
另須設(shè)置選項(xiàng)功能參數(shù)，必要時(shí)還需設(shè)置MD18090～MD18116以及MD20122、MD20124等參數(shù)。
 
3.        刀庫配置
刀庫U1/U2/U3以及刀具裝卸庫U4均有24個(gè)刀位，分上下兩層各12個(gè)刀位；附件庫有4個(gè)附件頭位；另外為了操作方便，設(shè)置1個(gè)虛擬手動(dòng)裝卸刀庫，含有20個(gè)刀位，該刀庫中的刀具均為手動(dòng)裝卸。在刀具管理中，刀具與附件同樣對(duì)待，只是其刀具類型和刀沿?cái)?shù)據(jù)不同。加上緩沖區(qū)、裝載點(diǎn)，一共有8個(gè)刀庫。
對(duì)于緩沖區(qū)，應(yīng)有滑枕（對(duì)應(yīng)附件）、主軸（對(duì)應(yīng)刀具）、機(jī)械手1、機(jī)械手2共4個(gè)刀位。機(jī)械手1用來裝卸附件和抓取新刀，機(jī)械手2用來抓取舊刀。其刀庫定義如表1：
 
表1：

     其中緩沖區(qū)和裝載點(diǎn)的刀庫號(hào)為系統(tǒng)內(nèi)定，只需對(duì)其各刀位特性進(jìn)行定義即可。
為了管理各種類型的刀具，將刀位類型分為普通、寬刀、長刀、超大刀具和附件共5種，以適應(yīng)相應(yīng)的刀具存放，其中寬刀、長刀和超大刀具類型刀位均可存放普通刀具，前4種刀位之間存在優(yōu)先級(jí)。寬刀不能放在刀庫兩端的刀位上，長刀只能放在上層刀位中，附件只能放在附件刀位中。
 
4.        NC編程
刀具管理有關(guān)的系統(tǒng)變量較多，包括刀具數(shù)據(jù)、刀沿?cái)?shù)據(jù)、刀庫數(shù)據(jù)、刀位數(shù)據(jù)等。常用的刀具數(shù)據(jù)如$TC_TP1～11、$A_TOOLMN、$A_TOOLMLN、$P_TOOLND等，刀沿?cái)?shù)據(jù)如$TC_DP1～25、OEM定義數(shù)據(jù)$TC_DPC1～10等，刀庫數(shù)據(jù)$TC_MAP1～10等，刀位數(shù)據(jù)$TC_MPP1～7、OEM定義數(shù)據(jù)$TC_MPPC1～10等。還有一些關(guān)于刀具監(jiān)控、刀位類型優(yōu)先級(jí)、緩沖區(qū)分配等的系統(tǒng)變量，所有的刀庫配置都可用系統(tǒng)變量定義來代替HMI界面組態(tài)的過程，系統(tǒng)關(guān)于刀庫配置的數(shù)據(jù)備份也是通過這些系統(tǒng)變量的賦值來實(shí)現(xiàn)的。
刀具偏置用于因附件頭運(yùn)動(dòng)、工件運(yùn)動(dòng)等引起的自動(dòng)刀具定向，采用SIEMENS提供的標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)Cycle800可以實(shí)現(xiàn)該功能，Cycle800內(nèi)部是通過各種條件的判斷后對(duì)刀架數(shù)據(jù)賦值來完成的，所以也可以直接根據(jù)刀架運(yùn)動(dòng)的關(guān)系賦值相應(yīng)的刀架數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)刀具偏置的功能。
相應(yīng)的MD18088——最大可定義刀架數(shù)量，應(yīng)大于0。常用的刀架數(shù)據(jù)$TC_CARR1～33等，是決定刀具定向偏置數(shù)據(jù)的系統(tǒng)變量。附件頭自身的各坐標(biāo)方向偏置值、旋轉(zhuǎn)后相應(yīng)坐標(biāo)方向的補(bǔ)償值均通過加工中心自身測(cè)量得到，經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)學(xué)計(jì)算即可得到各種附件各種角度下的刀具定向偏置值。
 
5.        PLC編程
SIEMENS公司在Sinumerik 840D的toolbox中帶有刀具管理實(shí)例，雖然實(shí)例中是鏈?zhǔn)降稁?，但其控制思路很明確，相應(yīng)的FB90、FB91、FB92、FB93、FC90等均可以根據(jù)需要修改后用在相應(yīng)的加工中心。
在PLC編程之前編制刀庫數(shù)據(jù)管理任務(wù)表是關(guān)鍵，它將每個(gè)需要修改刀具管理數(shù)據(jù)的任務(wù)列成表格（目前它最多允許建立32個(gè)任務(wù)），然后將每個(gè)任務(wù)分解成單個(gè)運(yùn)動(dòng)步驟，各個(gè)運(yùn)動(dòng)步驟可通過NC程序或PLC程序完成。
根據(jù)CUBIMAT系列五面體加工中心的特點(diǎn)結(jié)合靈活方便的用戶使用需求，其刀具數(shù)據(jù)管理任務(wù)主要有如下幾個(gè)特點(diǎn)：
1）.換刀過程分為換刀準(zhǔn)備、取新刀、卸舊刀、裝新刀、舊刀入庫共5個(gè)任務(wù)，其中卸舊刀與裝新刀占用加工時(shí)間，另3個(gè)任務(wù)均在不影響加工的情況下完成；
2）.換附件過程分為換附件準(zhǔn)備、卸舊附件、舊附件入庫、取新附件、裝新附件共5個(gè)任務(wù)，均占用加工時(shí)間；
3）.有的刀具原不在刀庫中，若非要將刀具放入刀庫，然后自動(dòng)取刀、裝刀，則會(huì)浪費(fèi)較多時(shí)間，為了方便用戶使用，設(shè)置了虛擬手動(dòng)刀庫U5，操作人員就可自由選擇自動(dòng)換刀或手動(dòng)換刀；
4）.新刀入庫、舊刀卸載均通過U4庫，刀具在U4庫與U1/U2/U3之間的位置交換通過刀具管理的“重新定位”功能實(shí)現(xiàn)，它將激活相應(yīng)的刀庫軸和機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)來完成刀具位置交換的目的。
5）.如果刀具管理數(shù)據(jù)因錯(cuò)誤（如換刀中斷，數(shù)據(jù)未及時(shí)修正等）使其與實(shí)際刀具狀態(tài)不一致，可通過“重新定位”軟鍵功能來修改刀具管理數(shù)據(jù)，此時(shí)它并無實(shí)際的刀具移動(dòng)，只是位置數(shù)據(jù)的修改。
根據(jù)以上特點(diǎn)，編制其任務(wù)如表2所示：
表2：  

 
其刀具管理功能提供了4個(gè)后臺(tái)數(shù)據(jù)塊作為PLC接口，DB71存放用于裝載、卸載、重新定位以及定位刀位至換刀點(diǎn)的數(shù)據(jù)，其長度為4＋n×30Byte，n＝裝載點(diǎn)數(shù)量（本例為1）；DB72存放用于換刀準(zhǔn)備、換刀至主軸的數(shù)據(jù)，其長度為4＋n×48Byte，n＝主軸數(shù)量（本例為2）；DB73存放用于轉(zhuǎn)塔刀庫換刀的數(shù)據(jù)，其長度為4＋n×44Byte，n＝轉(zhuǎn)塔號(hào)；DB74為刀具管理內(nèi)部使用的數(shù)據(jù)塊。
修改刀具管理數(shù)據(jù)塊主要是通過調(diào)用FC8，上述表2中的任務(wù)1、2、17、18、28、29均對(duì)DB71操作，任務(wù)3～16和30、31均對(duì)DB72操作。由于任務(wù)較多，每一個(gè)任務(wù)的運(yùn)行條件又存在多種情況，因此應(yīng)先分別對(duì)其條件進(jìn)行處理，最后一次性調(diào)用FC8，避免因條件交叉引起的修改數(shù)據(jù)失敗。
下面是一段新刀裝入主軸1動(dòng)作完成時(shí)刀具管理數(shù)據(jù)修改的程序：
SS9： L     2                      
     T     #TaskIdent                //TaskIdent＝2（DB72）
     L     1
     T     #TaskIdentNo             //TaskIdentNo＝1
     L     1
     T     #Status                  //Status＝1（換刀任務(wù)完成）
     L     DB72.DBW20            //新刀具刀庫號(hào)
     T     #NewToolMag
     T     #NewToolMag_Wechsel_S1
     L     DB72.DBW22            //新刀具刀位號(hào)
     T     #NewToolLoc
     T     #NewToolLoc_Wechsel_S1
     L     DB72.DBW30            //舊刀具刀位號(hào)
     L     0
     <>I
     JC    OLD4
     T     #OldToolMag            //若無舊刀，則賦值0到相應(yīng)的變量
     T     #OldToolMag_Wechsel_S1
     T     #OldToolLoc
     T     #OldToolLoc_Wechsel_S1
     JU    FC8S
OLD4：L     DB72.DBW28           //舊刀具刀庫號(hào)
       L     6                      //庫（刀庫號(hào)為6）
       <>I
       JC    OLD5
       L     6                      //若有舊刀且舊刀屬于虛擬手動(dòng)刀
     T     #OldToolMag            //庫（刀庫號(hào)6）
     T     #OldToolMag_Wechsel_S1
     L     DB72.DBW30           //舊刀具刀位號(hào)
     T     #OldToolLoc
     T     #OldToolLoc_Wechsel_S1
     JU    FC8S
  OLD5：L     9998                   //若有舊刀且不屬于手動(dòng)庫，則舊刀
     T     #OldToolMag            //當(dāng)前位置在機(jī)械手2中
     T     #OldToolMag_Wechsel_S1
     L     4                      
     T     #OldToolLoc
     T     #OldToolLoc_Wechsel_S1
     JU    FC8S
……
FC8S：SET
       S     #Status
FC8： CALL  “TM_TRANS”          //FC8
      Start         ：＝#Start
      TaskIdent     ：＝#TadkIdent
      TadkIdentNo  ：＝#TaskIdentNo
      NewToolMag  ：＝#NewToolMag
      NewToolLoc  ：＝#NewToolLoc
      OldToolMag  ：＝#OldToolMag
      OldToolLoc   ：＝#OldToolLoc
       Status          ：＝#Status
       Ready          ：＝#Ready
       Error           ：＝#Error
 
6.        結(jié)語
經(jīng)過多臺(tái)CUBIMAT加工中心的改造，積累了較豐富的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)刀具管理功能應(yīng)用改造升級(jí)后的加工中心重新煥發(fā)了活力并提高了效率，為用戶生產(chǎn)提供了保障，也為國產(chǎn)高端數(shù)控產(chǎn)品的研究與開發(fā)提供了參考。
機(jī)械手的抓緊控制需用到固定點(diǎn)停止功能，刀庫/附件庫/機(jī)械手可定義成索引軸，編寫換刀換附件、附件轉(zhuǎn)位、刀架運(yùn)動(dòng)刀具補(bǔ)償?shù)瘸绦驎r(shí)需用到多種NC與PLC數(shù)據(jù)交換的方法，為方便調(diào)試和使用，需定義一些全局變量，鑒于篇幅，這些就不一一闡述。