內(nèi)容提要：講述了應(yīng)用西門子840D數(shù)控系統(tǒng)刀具管理功能實現(xiàn)KOLB加工中心刀具管理的方法，分別就主要機床參數(shù)、刀庫配置、NC編程和PLC編程進行了說明。
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，選擇一個高效可靠的刀具管理方案是加工中心設(shè)計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床結(jié)構(gòu)，如圖1是VT2500型帶移動分度臺的17軸機床示意圖，它具有3個刀庫U1/U2/U3、1個附件庫U（自帶3個附件頭）、1個裝卸刀庫U4，配置2個機械手E1/E2及其水平移動軸V、垂直移動軸Q和旋轉(zhuǎn)軸E3。主加工區(qū)有常規(guī)的工作臺X軸、滑座水平移動Y軸、滑枕垂直移動Z軸、橫梁同步垂直移動W/W1軸和主軸C，另外配有移動式分度臺A軸。

               圖1  CUBIMAT VT2500機床軸示意圖
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、功能強大，可適用于轉(zhuǎn)塔式、鏈式、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)合來實現(xiàn)，NC程序控制相應(yīng)的軸移動，一定的步驟完成即通知PLC修改刀具管理數(shù)據(jù)，使其與實際狀態(tài)始終保持一致。由于刀庫有關(guān)的10個數(shù)控軸通常分配在第2通道，NC編程時需注意兩個通道之間的程序協(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，為方便調(diào)試及點動操作，可設(shè)置單鍵切換回NC軸。
 
2.        機床參數(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)機床需求設(shè)定。
MD20310——通道刀具管理功能定義，它有24位，分別對應(yīng)不同的單項功能方式，可根據(jù)機床特點設(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
MD18086——刀位數(shù)量：120，最多600個
MD18100——每個TOA域中刀沿數(shù)量：500，最大值＝MD18082×MD18106
MD20110——復位功能模式，它有18位，決定NC復位后的各功能狀態(tài)，如位6對應(yīng)刀具偏置，結(jié)合MD20120和MD20130等參數(shù)決定刀具長度補償在復位后是否保持有效；位14＝1對應(yīng)基本零偏在復位后保持有效。
MD20112——啟動功能模式，它有18位，各位與MD20110完全一致。
MD22550——新刀具補償生效方式：1
MD22560——換刀M功能：6，表示換刀指令為M06
T指令對應(yīng)刀具準備，M06對應(yīng)換刀。T2指令對應(yīng)換附件準備，M2＝6對應(yīng)換附件。刀具補償在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TOA）。
另須設(shè)置選項功能參數(shù)，必要時還需設(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個刀位，分上下兩層各12個刀位；附件庫有4個附件頭位；另外為了操作方便，設(shè)置1個虛擬手動裝卸刀庫，含有20個刀位，該刀庫中的刀具均為手動裝卸。在刀具管理中，刀具與附件同樣對待，只是其刀具類型和刀沿數(shù)據(jù)不同。加上緩沖區(qū)、裝載點，一共有8個刀庫。
對于緩沖區(qū)，應(yīng)有滑枕（對應(yīng)附件）、主軸（對應(yīng)刀具）、機械手1、機械手2共4個刀位。機械手1用來裝卸附件和抓取新刀，機械手2用來抓取舊刀。其刀庫定義如表1：
 
表1：

     其中緩沖區(qū)和裝載點的刀庫號為系統(tǒng)內(nèi)定，只需對其各刀位特性進行定義即可。
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。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)、刀沿數(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，刀沿數(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)$TC_MPPC1～10等。還有一些關(guān)于刀具監(jiān)控、刀位類型優(yōu)先級、緩沖區(qū)分配等的系統(tǒng)變量，所有的刀庫配置都可用系統(tǒng)變量定義來代替HMI界面組態(tài)的過程，系統(tǒng)關(guān)于刀庫配置的數(shù)據(jù)備份也是通過這些系統(tǒng)變量的賦值來實現(xiàn)的。
刀具偏置用于因附件頭運動、工件運動等引起的自動刀具定向，采用SIEMENS提供的標準循環(huán)Cycle800可以實現(xiàn)該功能，Cycle800內(nèi)部是通過各種條件的判斷后對刀架數(shù)據(jù)賦值來完成的，所以也可以直接根據(jù)刀架運動的關(guān)系賦值相應(yīng)的刀架數(shù)據(jù)來實現(xiàn)刀具偏置的功能。
相應(yīng)的MD18088——最大可定義刀架數(shù)量，應(yīng)大于0。常用的刀架數(shù)據(jù)$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方向偏置值、旋轉(zhuǎn)后相應(yīng)坐標方向的補償值均通過加工中心自身測量得到，經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)學計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中帶有刀具管理實例，雖然實例中是鏈式刀庫，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個任務(wù)），然后將每個任務(wù)分解成單個運動步驟，各個運動步驟可通過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)主要有如下幾個特點：
1）.換刀過程分為換刀準備、取新刀、卸舊刀、裝新刀、舊刀入庫共5個任務(wù)，其中卸舊刀與裝新刀占用加工時間，另3個任務(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備、卸舊附件、舊附件入庫、取新附件、裝新附件共5個任務(wù)，均占用加工時間；
3）.有的刀具原不在刀庫中，若非要將刀具放入刀庫，然后自動取刀、裝刀，則會浪費較多時間，為了方便用戶使用，設(shè)置了虛擬手動刀庫U5，操作人員就可自由選擇自動換刀或手動換刀；
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”功能實現(xiàn)，它將激活相應(yīng)的刀庫軸和機械手的運動來完成刀具位置交換的目的。
5）.如果刀具管理數(shù)據(jù)因錯誤（如換刀中斷，數(shù)據(jù)未及時修正等）使其與實際刀具狀態(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)，此時它并無實際的刀具移動，只是位置數(shù)據(jù)的修改。
根據(jù)以上特點，編制其任務(wù)如表2所示：
表2：  

 
其刀具管理功能提供了4個后臺數(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的數(shù)據(jù)，其長度為4＋n×30Byte，n＝裝載點數(shù)量（本例為1）；DB72存放用于換刀準備、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；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DB71操作，任務(wù)3～16和30、31均對DB72操作。由于任務(wù)較多，每一個任務(wù)的運行條件又存在多種情況，因此應(yīng)先分別對其條件進行處理，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動作完成時刀具管理數(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
     T     #NewToolMag
     T     #NewToolMag_Wechsel_S1
     L     DB72.DBW22            //新刀具刀位號
     T     #NewToolLoc
     T     #NewToolLoc_Wechsel_S1
     L     DB72.DBW30            //舊刀具刀位號
     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
       L     6                      //庫（刀庫號為6）
       <>I
       JC    OLD5
       L     6                      //若有舊刀且舊刀屬于虛擬手動刀
     T     #OldToolMag            //庫（刀庫號6）
     T     #OldToolMag_Wechsel_S1
     L     DB72.DBW30           //舊刀具刀位號
     T     #OldToolLoc
     T     #OldToolLoc_Wechsel_S1
     JU    FC8S
  OLD5：L     9998                   //若有舊刀且不屬于手動庫，則舊刀
     T     #OldToolMag            //當前位置在機械手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CUBIMAT加工中心的改造，積累了較豐富的經(jīng)驗，經(jīng)刀具管理功能應(yīng)用改造升級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。
機械手的抓緊控制需用到固定點停止功能，刀庫/附件庫/機械手可定義成索引軸，編寫換刀換附件、附件轉(zhuǎn)位、刀架運動刀具補償?shù)瘸绦驎r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。