西门子828D刀具管理功能在待机位刀库上的应用
2021-7-29 来源： 中国东方数控有限公司 作者：朱远吉
摘要：在一台带运刀机械手的卧式加工中心，通过刀库初始化和 NC 参数设置，再由 PLC 执行相关逻辑动作并完成相应的步骤应答，实现刀库提前备刀与必要的异步还刀动作，既保证了此类刀库的高效利用率，又发挥了西门子 828D 刀具管理功能的双保险监控功能。
关键词：刀具管理 ；刀库 ；待机位 ；卡爪 ；异步 ；应答
西门子828D 系统的刀具管理功能是其一大亮点，在带有刀库的加工中心运用该功能可以完成刀具的手动和自动更换，相比单纯由 PLC 控制的换刀，刀具检索、数据刷新、手动换刀识别等很多任务通过 HMI 和 NC 完成，极大地减少了 PLC 程序的开发量，程序脉络更加清晰，可读性和安全性更强。
本文结合在工作中使用 SINUMERIK 828D 系统升级改造的一台有待机位的链式刀库，浅析其区别于普通圆盘机械手式刀库的主要特征，运用好将给大型卧式加工中心（以下简称“卧加”）的加工效率带来很大提升。
1、卧加换刀机构简介
对一台卧加刀库进行升级改造，用户机床为动柱式卧加，带液压转台，由原来的普通圆盘式24 把刀刀库改为链式60 把刀刀库，刀库厂家为台湾吉辅，如图1所示
图1 吉辅链式刀库
刀库旋转由普通电动机完成，刀库运刀机构由液压机构驱动摇臂座执行刀库侧、待机位，以及主轴侧3个位置的切换，刀库换刀机构同样由液压机构驱动机械手完成刀库侧与主轴侧的抓刀与放刀、拔刀与插刀、刀具180°交换的动作，同时还有主轴液压松紧刀等动作。
刀库回零、刀位计数以及运刀、换刀各步骤的到位信号均通过接近开关输入 PLC 完成，机床轴 X，Y，Z 到达换刀位置和主轴 SP 换刀角度的定向，通过 NC 换刀子程序 L6设计完成。
2、刀库基本设置
2.1 刀库初始化
刀库初始化主要是对刀具管理进行的刀库数量、刀位数量、缓冲区数量、找刀策略等进行基本设置。在新版本 V4.7 系统，在 Operater 界面上通过【主菜单】→【NC】→【刀具管理】使用刀库模板进行刀库初始化，这里仍采用 TOOLBOX 光盘里提供的初始化程序 Mag_conf.mpf 进行刀库初始化，与普通圆盘机械手刀库的主要区别是找刀策略参数一行“N70PLACE_SEARCH = 257 ”，表示此待机位换刀机构应设置为固定点换刀。
2.2 NC 参数设置
实现刀具管理功能需要进行一系列 NC 参数的设置，以定义换刀子程序、换刀 M 功能码、刀沿激活、手动刀具等动作和应答逻辑等，例如 MD10715、10716、22550，22560、22562、20270、20310、55210、52270等。
2.3 换刀相关子程序设计
相关的换刀子程序、程序段搜索处理等刀库文件可以从TOOLBOX 光盘examples\04.07\Tool_management 中查找，并修改好复制到系统数据的制造商循环文件中，包括如下文件：L6.SPF ： 换刀子程序，实现刀库的主要动作TCA.SPF ：刀具激活CYCPE_MA.SPF ：程序段搜索处理程序在换刀子程序 L6 中，首先判断预选刀号是否在主轴上、是否处于程序测试、模拟方式、卡爪上是否有刀，以决定是否继续执行换刀，通过3个浮点数用户数据接口使 Y 轴、Z 轴、SP 主轴分别运动到换刀位和定向停角度，执行 M206 换刀。
3、PLC软件设计
3.1 建立传输/响应步骤表
建立传输 / 响应步骤表的目的是向刀具管理报告任务完成的应答和刀库当前换刀动作的状态等。此待机位链式刀库的换刀步骤较多，需建立传输 / 响应步骤表，在完成换刀动作的同时响应对应的步骤，以通知刀具管理当前的刀具和刀库状态。刀具管理指令的传输 / 响应流程见图2。
图2 828D刀具管理传输/响应流程
根据西门子828D 刀具管理的设置规则，把真实刀库表示为“1”，真实刀库中的某个刀位用刀位号表示，但是刀库中的刀位往往较多，很难逐个列出。所以用“0，1”代表新刀源地址，实际地址在 DB4300.DBW6 和 DB4300.DBW8 中；用“0，2”代表旧刀目标地址，实际地址在 DB4300.DBW18 和 DB4300.DBW20 中；用“1，n”代表刀库中第 n 号到位，n 初始值为0，PLC 中映射到 DB9901.DBW2。
缓冲区刀库表示为“9998”，那么“9998，1”代表主轴 ；“9998，2”代表卡爪1 ；“9998，3”代表卡爪2，并且将从刀库抓取新刀的卡爪始终定义为“卡爪1”，将抓取主轴上旧刀后准备还回刀库的卡爪始终定义为“卡爪2”；装刀点表示为“9999”，本项目只有1个装刀点，所以用“9999，1”表示。
从828D的PLC子程序库中粘贴 3个数据块 ：DB9900（常量传递表、DB9901（变量传递表、DB9902（响应表）。预先在数据块 DB9900 中定义新刀和旧刀的动作步骤，在数据块 DB9902 中定义换刀过程中、换刀终止和换
刀完成的响应步骤，在数据块 DB9901 中定义当前刀位号与主轴刀号的传递，以及异步还刀时卡爪2刀号与刀库当前刀号的传递（卡爪2上的刀要还到刀库中哪个刀位上）。由程序随时刷新 DB9901 的当前刀位号，3个数据块的部分预定义示例见图3。
DB9900常量传递表
DB9901变量传递表
DB9902响应表（部分）
图3 常量、变量传递表及部分响应表
3.2 编写PLC程序
为了便于维护及更换刀库刀具，要求刀库中刀具为固定点换刀，即区别于普通圆盘式刀库的随机换刀，而且为了提高换刀效率和加工效率，要求换刀后机械手运动到待机位（如图4中状态1）NC 程序即开始加工，同时执行 T 备刀指令，准备下一把待加工的刀具。备刀完成后，机械手仍然停在到图4状态1待机位等待下次执行 M06换刀命令。
图4 换刀流程
这里存在几种情况，对应会需要不同的换刀动作路径，以达到最佳效率。
（1）M206换刀，有新旧刀交换，对应换刀命令为 DB4300.DBX1.1。这种情况，对应图 4 的第 1~9 步，最终需要同步应答换刀完成 DB4200.DBX0.2，系统才可以继续执行 NC 程序，如图5所示。
图5 换刀完成应答PLC程序示例
（2）异步还刀 +T 指令预选刀。
执行图 4 中第 9~17 步。当系统应答完换刀完成即开始执行后续加工程序，此时 PLC 中的换刀动作继续从第 9 步往后执行，根据西门子系统规则，必须有换刀指令才能进行同步响应，否则会有系统报警，异步响应则可以随时响应，不需要命令。所以此时从卡爪2还刀到刀库结束后，需要应答图3中 DB9902 的第 8 步应答，对应 NC/PLC 接口地址为 DB4200.DBX1.0，同时需要将目标刀位赋值给 DB9901.DBW14完成刷新，如图6所示。
图6 异步还刀应答PLC程序示例
T 指令预选刀，对应指令为 DB4300.DBX1.2，当 M06 换刀完成后执行了 T 指令时，PLC 中即刷新了前面 M06 换刀时的 DB4300.DBW20，所以应该在上面异步还刀过程中监控预选刀指令 DB4300.DBX1.2，当出现该指令时即设置记忆旧刀号的标志位 M120.0，并且应将 DB4300D.DBW20 赋值给用户自定义变量 DB9025.DBW64 保存起来，以便给异步还刀判断旧刀的目标刀位号使用。同时需要建立还刀过程中标志位 DB9025.DBX53.0，因为 T 指令备刀动作必须在异步还刀动作结束后再执行。T 指令备刀结束需要应答所有步骤完成，即 DB4200.DBX0.0。部分 PLC 程序见图7。
图7 记忆旧刀号标志位建立PLC程序示例
（3）T0还刀。
如果是程序加工的最后，需要将主轴上最后一把刀放入刀库，则需要在 M06之后执行 T0。此时，注意 PLC 换刀动作中设计单独的判断逻辑，即通过 DB4300.DBX1.3 命令，在应答完还刀结束后，从图4中第12步直接跳回到第1步即可。T0结束的应答也属于备刀结束应答，同样应答所有步骤完成，即DB4200.DBX0.0。
（4）初次备刀与重复备刀。
初次备刀即程序开始时调用第一把刀，此时属于只抓新刀、无旧刀的特殊情况，对应 NC/PLC 接口命令为 DB4300.DBX1.4；重复备刀，是考虑到操作者编程重复编写备刀指令 T，或备刀完成加工一段时间后，之前备的刀不想用，重新输入 T指令备刀，那么这个时候就要判断卡爪1上是否有刀，如果有刀要先还刀，再重新备刀，如下程序 MPF1所示。
T1: 初次备刀
M06: 换刀（包括异步还刀）
T2 : 提前备下一把刀
G01X500Y500F500: 加工程序
T3: 重新备刀
M06: 换刀
……
要判断卡爪1上是否有刀，就需要建立卡爪1刀具号保存变量 DB9025.DBW46，并且在应答备刀完成前，将 DB9901.DBW2的当前刀具赋值给 DB9025.DBW46，如图8所示。
图8 重复备刀卡爪1当前刀具变量保存PLC程序示例
以上关于卡爪1、2需要注意的是，即使卡爪2还刀后去抓刀，对于所有备刀时抓刀的卡爪仍然命令其为卡爪1，当应答完备刀指令 DB4200.DBX0.0 后，在刀具管理画面可以看到新刀应答到了卡爪1上，如此可以简化 PLC 中逻辑动作以及应答对卡爪1、2的区分，降低编程复杂程度。
4、结束语
卧式加工中心配合转台功能，在对箱体等类型零件进行铣削或孔加工时，所需的刀具数量往往较多，巨大的刀库往往需要单独放置在机床一侧，空间位置限制了像传统圆盘机械手刀库那样简便的换刀动作，需要在刀库与主轴之间增加待机位以及运刀环节。通过828D 刀具管理在该卧加刀库改造上的应用，即发挥了刀具管理的安全性和可靠性，又成功解决了加工异步还刀及待机位提前备刀问题，极大提高了此类卧加的加工效率，不失为此类加工中心设计及改造的一个高效且实用的途径。
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