西門子828D刀具管理功能在待機(jī)位刀庫上的應(yīng)用
2021-7-29 來源： 中國東方數(shù)控有限公司 作者：朱遠(yuǎn)吉
摘要：在一臺(tái)帶運(yùn)刀機(jī)械手的臥式加工中心，通過刀庫初始化和 NC 參數(shù)設(shè)置，再由 PLC 執(zhí)行相關(guān)邏輯動(dòng)作并完成相應(yīng)的步驟應(yīng)答，實(shí)現(xiàn)刀庫提前備刀與必要的異步還刀動(dòng)作，既保證了此類刀庫的高效利用率，又發(fā)揮了西門子 828D 刀具管理功能的雙保險(xiǎn)監(jiān)控功能。
關(guān)鍵詞：刀具管理 ；刀庫 ；待機(jī)位 ；卡爪 ；異步 ；應(yīng)答
西門子828D 系統(tǒng)的刀具管理功能是其一大亮點(diǎn)，在帶有刀庫的加工中心運(yùn)用該功能可以完成刀具的手動(dòng)和自動(dòng)更換，相比單純由 PLC 控制的換刀，刀具檢索、數(shù)據(jù)刷新、手動(dòng)換刀識(shí)別等很多任務(wù)通過 HMI 和 NC 完成，極大地減少了 PLC 程序的開發(fā)量，程序脈絡(luò)更加清晰，可讀性和安全性更強(qiáng)。
本文結(jié)合在工作中使用 SINUMERIK 828D 系統(tǒng)升級改造的一臺(tái)有待機(jī)位的鏈?zhǔn)降稁欤瑴\析其區(qū)別于普通圓盤機(jī)械手式刀庫的主要特征，運(yùn)用好將給大型臥式加工中心（以下簡稱“臥加”）的加工效率帶來很大提升。
1、臥加換刀機(jī)構(gòu)簡介
對一臺(tái)臥加刀庫進(jìn)行升級改造，用戶機(jī)床為動(dòng)柱式臥加，帶液壓轉(zhuǎn)臺(tái)，由原來的普通圓盤式24 把刀刀庫改為鏈?zhǔn)?0 把刀刀庫，刀庫廠家為臺(tái)灣吉輔，如圖1所示
圖1 吉輔鏈?zhǔn)降稁?/font>
刀庫旋轉(zhuǎn)由普通電動(dòng)機(jī)完成，刀庫運(yùn)刀機(jī)構(gòu)由液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)搖臂座執(zhí)行刀庫側(cè)、待機(jī)位，以及主軸側(cè)3個(gè)位置的切換，刀庫換刀機(jī)構(gòu)同樣由液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手完成刀庫側(cè)與主軸側(cè)的抓刀與放刀、拔刀與插刀、刀具180°交換的動(dòng)作，同時(shí)還有主軸液壓松緊刀等動(dòng)作。
刀庫回零、刀位計(jì)數(shù)以及運(yùn)刀、換刀各步驟的到位信號均通過接近開關(guān)輸入 PLC 完成，機(jī)床軸 X，Y，Z 到達(dá)換刀位置和主軸 SP 換刀角度的定向，通過 NC 換刀子程序 L6設(shè)計(jì)完成。
2、刀庫基本設(shè)置
2.1 刀庫初始化
刀庫初始化主要是對刀具管理進(jìn)行的刀庫數(shù)量、刀位數(shù)量、緩沖區(qū)數(shù)量、找刀策略等進(jìn)行基本設(shè)置。在新版本 V4.7 系統(tǒng)，在 Operater 界面上通過【主菜單】→【NC】→【刀具管理】使用刀庫模板進(jìn)行刀庫初始化，這里仍采用 TOOLBOX 光盤里提供的初始化程序 Mag_conf.mpf 進(jìn)行刀庫初始化，與普通圓盤機(jī)械手刀庫的主要區(qū)別是找刀策略參數(shù)一行“N70PLACE_SEARCH = 257 ”，表示此待機(jī)位換刀機(jī)構(gòu)應(yīng)設(shè)置為固定點(diǎn)換刀。
2.2 NC 參數(shù)設(shè)置
實(shí)現(xiàn)刀具管理功能需要進(jìn)行一系列 NC 參數(shù)的設(shè)置，以定義換刀子程序、換刀 M 功能碼、刀沿激活、手動(dòng)刀具等動(dòng)作和應(yīng)答邏輯等，例如 MD10715、10716、22550，22560、22562、20270、20310、55210、52270等。
2.3 換刀相關(guān)子程序設(shè)計(jì)
相關(guān)的換刀子程序、程序段搜索處理等刀庫文件可以從TOOLBOX 光盤examples\04.07\Tool_management 中查找，并修改好復(fù)制到系統(tǒng)數(shù)據(jù)的制造商循環(huán)文件中，包括如下文件：L6.SPF ： 換刀子程序，實(shí)現(xiàn)刀庫的主要?jiǎng)幼?/span>TCA.SPF ：刀具激活CYCPE_MA.SPF ：程序段搜索處理程序在換刀子程序 L6 中，首先判斷預(yù)選刀號是否在主軸上、是否處于程序測試、模擬方式、卡爪上是否有刀，以決定是否繼續(xù)執(zhí)行換刀，通過3個(gè)浮點(diǎn)數(shù)用戶數(shù)據(jù)接口使 Y 軸、Z 軸、SP 主軸分別運(yùn)動(dòng)到換刀位和定向停角度，執(zhí)行 M206 換刀。
3、PLC軟件設(shè)計(jì)
3.1 建立傳輸/響應(yīng)步驟表
建立傳輸 / 響應(yīng)步驟表的目的是向刀具管理報(bào)告任務(wù)完成的應(yīng)答和刀庫當(dāng)前換刀動(dòng)作的狀態(tài)等。此待機(jī)位鏈?zhǔn)降稁斓膿Q刀步驟較多，需建立傳輸 / 響應(yīng)步驟表，在完成換刀動(dòng)作的同時(shí)響應(yīng)對應(yīng)的步驟，以通知刀具管理當(dāng)前的刀具和刀庫狀態(tài)。刀具管理指令的傳輸 / 響應(yīng)流程見圖2。
圖2 828D刀具管理傳輸/響應(yīng)流程
根據(jù)西門子828D 刀具管理的設(shè)置規(guī)則，把真實(shí)刀庫表示為“1”，真實(shí)刀庫中的某個(gè)刀位用刀位號表示，但是刀庫中的刀位往往較多，很難逐個(gè)列出。所以用“0，1”代表新刀源地址，實(shí)際地址在 DB4300.DBW6 和 DB4300.DBW8 中；用“0，2”代表舊刀目標(biāo)地址，實(shí)際地址在 DB4300.DBW18 和 DB4300.DBW20 中；用“1，n”代表刀庫中第 n 號到位，n 初始值為0，PLC 中映射到 DB9901.DBW2。
緩沖區(qū)刀庫表示為“9998”，那么“9998，1”代表主軸 ；“9998，2”代表卡爪1 ；“9998，3”代表卡爪2，并且將從刀庫抓取新刀的卡爪始終定義為“卡爪1”，將抓取主軸上舊刀后準(zhǔn)備還回刀庫的卡爪始終定義為“卡爪2”；裝刀點(diǎn)表示為“9999”，本項(xiàng)目只有1個(gè)裝刀點(diǎn)，所以用“9999，1”表示。
從828D的PLC子程序庫中粘貼 3個(gè)數(shù)據(jù)塊 ：DB9900（常量傳遞表、DB9901（變量傳遞表、DB9902（響應(yīng)表）。預(yù)先在數(shù)據(jù)塊 DB9900 中定義新刀和舊刀的動(dòng)作步驟，在數(shù)據(jù)塊 DB9902 中定義換刀過程中、換刀終止和換
刀完成的響應(yīng)步驟，在數(shù)據(jù)塊 DB9901 中定義當(dāng)前刀位號與主軸刀號的傳遞，以及異步還刀時(shí)卡爪2刀號與刀庫當(dāng)前刀號的傳遞（卡爪2上的刀要還到刀庫中哪個(gè)刀位上）。由程序隨時(shí)刷新 DB9901 的當(dāng)前刀位號，3個(gè)數(shù)據(jù)塊的部分預(yù)定義示例見圖3。
DB9900常量傳遞表
DB9901變量傳遞表
DB9902響應(yīng)表（部分）
圖3 常量、變量傳遞表及部分響應(yīng)表
3.2 編寫PLC程序
為了便于維護(hù)及更換刀庫刀具，要求刀庫中刀具為固定點(diǎn)換刀，即區(qū)別于普通圓盤式刀庫的隨機(jī)換刀，而且為了提高換刀效率和加工效率，要求換刀后機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到待機(jī)位（如圖4中狀態(tài)1）NC 程序即開始加工，同時(shí)執(zhí)行 T 備刀指令，準(zhǔn)備下一把待加工的刀具。備刀完成后，機(jī)械手仍然停在到圖4狀態(tài)1待機(jī)位等待下次執(zhí)行 M06換刀命令。
圖4 換刀流程
這里存在幾種情況，對應(yīng)會(huì)需要不同的換刀動(dòng)作路徑，以達(dá)到最佳效率。
（1）M206換刀，有新舊刀交換，對應(yīng)換刀命令為 DB4300.DBX1.1。這種情況，對應(yīng)圖 4 的第 1~9 步，最終需要同步應(yīng)答換刀完成 DB4200.DBX0.2，系統(tǒng)才可以繼續(xù)執(zhí)行 NC 程序，如圖5所示。
圖5 換刀完成應(yīng)答PLC程序示例
（2）異步還刀 +T 指令預(yù)選刀。
執(zhí)行圖 4 中第 9~17 步。當(dāng)系統(tǒng)應(yīng)答完換刀完成即開始執(zhí)行后續(xù)加工程序，此時(shí) PLC 中的換刀動(dòng)作繼續(xù)從第 9 步往后執(zhí)行，根據(jù)西門子系統(tǒng)規(guī)則，必須有換刀指令才能進(jìn)行同步響應(yīng)，否則會(huì)有系統(tǒng)報(bào)警，異步響應(yīng)則可以隨時(shí)響應(yīng)，不需要命令。所以此時(shí)從卡爪2還刀到刀庫結(jié)束后，需要應(yīng)答圖3中 DB9902 的第 8 步應(yīng)答，對應(yīng) NC/PLC 接口地址為 DB4200.DBX1.0，同時(shí)需要將目標(biāo)刀位賦值給 DB9901.DBW14完成刷新，如圖6所示。
圖6 異步還刀應(yīng)答PLC程序示例
T 指令預(yù)選刀，對應(yīng)指令為 DB4300.DBX1.2，當(dāng) M06 換刀完成后執(zhí)行了 T 指令時(shí)，PLC 中即刷新了前面 M06 換刀時(shí)的 DB4300.DBW20，所以應(yīng)該在上面異步還刀過程中監(jiān)控預(yù)選刀指令 DB4300.DBX1.2，當(dāng)出現(xiàn)該指令時(shí)即設(shè)置記憶舊刀號的標(biāo)志位 M120.0，并且應(yīng)將 DB4300D.DBW20 賦值給用戶自定義變量 DB9025.DBW64 保存起來，以便給異步還刀判斷舊刀的目標(biāo)刀位號使用。同時(shí)需要建立還刀過程中標(biāo)志位 DB9025.DBX53.0，因?yàn)?T 指令備刀動(dòng)作必須在異步還刀動(dòng)作結(jié)束后再執(zhí)行。T 指令備刀結(jié)束需要應(yīng)答所有步驟完成，即 DB4200.DBX0.0。部分 PLC 程序見圖7。
圖7 記憶舊刀號標(biāo)志位建立PLC程序示例
（3）T0還刀。
如果是程序加工的最后，需要將主軸上最后一把刀放入刀庫，則需要在 M06之后執(zhí)行 T0。此時(shí)，注意 PLC 換刀動(dòng)作中設(shè)計(jì)單獨(dú)的判斷邏輯，即通過 DB4300.DBX1.3 命令，在應(yīng)答完還刀結(jié)束后，從圖4中第12步直接跳回到第1步即可。T0結(jié)束的應(yīng)答也屬于備刀結(jié)束應(yīng)答，同樣應(yīng)答所有步驟完成，即DB4200.DBX0.0。
（4）初次備刀與重復(fù)備刀。
初次備刀即程序開始時(shí)調(diào)用第一把刀，此時(shí)屬于只抓新刀、無舊刀的特殊情況，對應(yīng) NC/PLC 接口命令為 DB4300.DBX1.4；重復(fù)備刀，是考慮到操作者編程重復(fù)編寫備刀指令 T，或備刀完成加工一段時(shí)間后，之前備的刀不想用，重新輸入 T指令備刀，那么這個(gè)時(shí)候就要判斷卡爪1上是否有刀，如果有刀要先還刀，再重新備刀，如下程序 MPF1所示。
T1: 初次備刀
M06: 換刀（包括異步還刀）
T2 : 提前備下一把刀
G01X500Y500F500: 加工程序
T3: 重新備刀
M06: 換刀
……
要判斷卡爪1上是否有刀，就需要建立卡爪1刀具號保存變量 DB9025.DBW46，并且在應(yīng)答備刀完成前，將 DB9901.DBW2的當(dāng)前刀具賦值給 DB9025.DBW46，如圖8所示。
圖8 重復(fù)備刀卡爪1當(dāng)前刀具變量保存PLC程序示例
以上關(guān)于卡爪1、2需要注意的是，即使卡爪2還刀后去抓刀，對于所有備刀時(shí)抓刀的卡爪仍然命令其為卡爪1，當(dāng)應(yīng)答完備刀指令 DB4200.DBX0.0 后，在刀具管理畫面可以看到新刀應(yīng)答到了卡爪1上，如此可以簡化 PLC 中邏輯動(dòng)作以及應(yīng)答對卡爪1、2的區(qū)分，降低編程復(fù)雜程度。
4、結(jié)束語
臥式加工中心配合轉(zhuǎn)臺(tái)功能，在對箱體等類型零件進(jìn)行銑削或孔加工時(shí)，所需的刀具數(shù)量往往較多，巨大的刀庫往往需要單獨(dú)放置在機(jī)床一側(cè)，空間位置限制了像傳統(tǒng)圓盤機(jī)械手刀庫那樣簡便的換刀動(dòng)作，需要在刀庫與主軸之間增加待機(jī)位以及運(yùn)刀環(huán)節(jié)。通過828D 刀具管理在該臥加刀庫改造上的應(yīng)用，即發(fā)揮了刀具管理的安全性和可靠性，又成功解決了加工異步還刀及待機(jī)位提前備刀問題，極大提高了此類臥加的加工效率，不失為此類加工中心設(shè)計(jì)及改造的一個(gè)高效且實(shí)用的途徑。
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