数控加工中心刀具识别系统原理及应用
2022-7-21 来源：上汽通用五菱汽车股份有限公司 作者：覃华汉 潘海铭 唐军
摘要：机械加工由普通的机床到数控机床加工，再到现在普遍的数控加工中心进行加工，而数控加工中心与数控机床最大的区别在于自动换刀系统。加工中心的自动换刀系统得益于刀具识别系统 , 刀具识别系统能够把刀具所有的信息传递到机床主机。本文阐述加工中心刀具如何进行识别处理，识别系统的工作原理及实际现场的应用。
关键词：数控加工中心 刀具识别 实际运用
1、引言
现代自动控制领域没有自动化的识别是无法想象的。自动化识别技术有很多方法：条形码、机械编码、微波技术、或者感应识别技术。要从以上的方法中作出一个正确的选择并不容易，但是实践证明感应式识别技术是一个行之有效的方法，特别是应用于生产和装配领域。感应式原理能够保证在恶劣的周围环境下有效工作，非接触式的工作方式确保了系统的高可靠性和稳定性，感应式识别技术是在恶劣的工业现场应用的正确选择。
2、识别硬件系统
识别硬件系统由编码块、读写头、处理器组成。编码块：接收能量信号作为其电源，并将其数据以脉冲调制信号传输给读 / 写头。读写头：同编码块进行数据传输，发送70k Hz 的能量信号并接收从编码块传回的数据信号。能量信号上带有载波，能够同时将数据写入编码块的存储器。处理器：控制编码块和读 / 写头之间的双向数据传输，并作为缓冲存储器。处理器好比上位机和编码块之间的桥梁。
图1 读写系统硬件组成
3、识别系统工作原理
读写头通过电磁感应非接触式读 / 写编码块信息，并将读取刀具信息传输到处理器进行缓存，处理器通过现场 Profibus 总线与机床 PC/PLC 进行通讯，将数据输送存储在PLC 中。
图2
3.1 数据的读取和写入
要执行读取或写入作业，编码块必须位于读写头的活动区域。读写作业具有以下序列：
a.PLC 将以下内容发送至输出缓冲区：- 指令指示符至子地址 01Hex，- 读 取 或 写 入 的 起 始 地 址 至 子 地 址02Hex/03Hex，- 读 取 或 写 入 的 字 节 数 至 子 地 址04Hex/05Hex，- 字节头中的 CT 位，根据编码块类型（缓冲区大小），- 并将字节头中的 AV 位设定为高位。b. 处理器：- 接收请求（输入缓冲区字节头中的 AA位设定为高位），- 开始传送数据；读取＝从编码块到输入缓冲区，写入＝从输出缓冲区到编码块。更多的数据以数据块的形式发送 （带第 2 字节头的缓冲区大小＝缓冲器大小 -2），（不带第 2 字节头的缓冲区大小＝缓冲器大小 -1）。2 个字节头中的转换字节用来作为 PLC和处理器之间的一种数据交换。c. 处理器已正确地处理指令（输入缓冲区字节头里的 AE 位）。如果在执行指令过程中发生故障，则故障代码将写入输入缓冲区的子地址 01Hex 并且输入缓冲区字节头的AF 位将会重设。
3.2 编码块与读 / 写头之间的关系
编码块与读 / 写头之间通过电磁感应非接触式进行数据交换，编码块所需电源也由与读 / 写头之间的电磁耦合提供，所以读 /写头与编码块之间正确可靠传输数据的关键在于特定的空间距离内，读 / 写头与编码块之间应保证充分的数据读写时间。对于静态（设置参数：第 2 字节第 5 位 =0）读写过程而言，编码块在读写头前完全禁止，这就允许它们两者之间能有一个较大的空间距离。对于动态（设置参数：第 2 字节第 5 位 =1）过程而言，编码块要在很短的时间内被读或写，必须有一个较短的空间距离以保证有足够大的读 / 写通道。每个读写头有与之配套的编码块（它们之间的配对取决于物理尺寸的大小和天线区域的结构），读 / 写头与编码块之间的距离和允许的水平偏移量如图 3。
图3
4、现场的应用
4.1 刀具识别
将编码块通过胶水镶嵌粘到刀柄上，编码块写好刀具信息，主要包括：刀号、识别号、刀具实际长度、刀具实际半径、长度公差、最大允许的使用寿命、实际刀具寿命 \ 实际使用频率、刀具状态、刀具切割半径、刀具测量状态、刀具重量、测量单位、刀具磨损长度、刀具半径磨损量、大刀具标识、刀具长度补偿值等。读写头安装在刀库的入口处，刀具装刀入库前会将刀具信息读入 CNC 系统，刀具从刀库取出时会把数据写入刀库中，从而完成刀具信息的读与写过程，从加工准备到加工过程，整个生产过程中进行不间断的数据信息流。
图4 正在读取刀具信息
图5 内嵌编码块的刀具
4.2 经验总结
机床在装 / 卸载刀具过程经常发生刀具信息读取失败故障，最主要有两个原因：（1）距离调得太近导致干涉磨损读写头。（2）距离调得太远无法读取。根据现场故障总结经验得出最终标准距离为 1mm ≤ M ≤ 1.5mm数据传输最佳。
5、结语
通过本文了解刀具识别系统的硬件组成、元件的作用及整个系统的工作原理，认识了编码块无需电源和数据备份，读写头无需精确安装定位，在快速运动中就可以对编码块进行读写。在调整读写头与编码块的距离过程中有了参考值，不至于调整距离出现问题导致故障发生，也可以缩短该系统故障的处理时间。
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