西门子 828D 刀库功能解析及实现
2023-12-15 来源： 一拖（洛阳）柴油机有限公司 作者：张 锋，马金卫等
摘要：刀库换刀功能是数控加工中心一个不可或缺的功能，阐述西门子 828D 数控系统刀库功能所需的参数和数据表的含义，换刀步骤的命令和响应过程，用实际改造项目进行辅助说明。
关键词：828D；刀库；加工中心；刀具管理
0 引言
一拖（洛阳）柴油机公司一台 ARROW500 加工中心故障率高，为了解决问题决定用西门子 828D 系统代替原有定制数控系统。整个改造过程中，实现换刀功能是难度最大的部分。为实现刀库换刀功能，技术人员查阅大量资料，投入大量时间和精力。要实现换刀功能，首先要弄明白西门子 828D 数控系统换刀过程中的数据传递，以及相关参数的含义。
1、换刀功能技术研究
全新的 828D 数控系统默认没有“刀具管理”界面，需要运行刀库初始化文件 MAG_CONF.SPF 进行刀库初始操作，刀库初始化步骤在《828D 简明调试手册》有详细介绍，按照步骤操作即可。换刀子程序 L6.SPF 使用西门子提供的标准程序，根据手册复制到指定位置即可。
然后根据实际情况设定相关参数：MD10715［0］、MD10716［0］、MD10717、MD10760、MD20270、MD22550、MD22560、MD20310（bit9）、MD52270（bit7、bit8、bit9）、MD30600［0］、MD30600［1］和MD30600［2］。参数具体含义参考《SINUMERIK 828D，SINAMICS120 机床数据参数手册》。
刀库功能的实现是数控系统、PLC 程序、刀库检测信号之间精准配合完成的。换刀过程中，每一步都是由 NCK 发出动作开始命令，由 PLC 发出动作完成的应答信号来结束该步，NCK 进入下一步。
1.1 建立传输/响应步骤表
描述一个刀具的移动需要一个源地址和一个目标地址。新刀是要换上主轴的，目标地址是固定的，就是主轴。新刀的源地址是刀库，但是刀位号是随机的，可以是任意一个刀位。旧刀是要换回刀库的，源地址是固定的，就是主轴。旧刀的目标地址是刀库，但是刀位号是随机的，可以是任意一个刀位。
在 PLC 程序中添加 3 个系统 DB 块，DB9900（常量传递表）、DB9901（变量传递表）和 DB9902（响应表），在表中定义刀具或刀库的所有可能的状态。
1.1.1 DB9900 常量传递表
DB9900 常量传递表列举换刀过程中刀具经历的刀库变化，例如待换刀臂刀库的刀具从刀库到主轴，依次经历刀库（真实刀库）、换刀臂（缓冲区 2，西门子把缓冲区也看作一个刀库）、主轴（缓冲区 1），刀具经历的刀库和刀位在后面详细介绍。
设计 DB9900 常量传递表的步骤要点：
单独设计新刀移动的步骤，即刀具从刀库到主轴的过程步骤。例如，带换刀臂的刀库，新刀移动到主轴有两步：刀库→换刀臂、换刀臂→主轴。
单独设计旧刀移动的步骤，即刀具从主轴到刀库的过程步骤。例如，带换刀臂的刀库，旧刀移动到主轴有两步：主轴→换刀臂、换刀臂→刀库。
DB9900 的步骤数=新刀移动的步骤数+旧刀移动的步骤数。因此带换刀臂刀库的换刀步骤有 4步。
1.1.2 DB9901 变量传递表
DB9901 变量传递表列举刀具在真实刀库中刀位的变化，一般都是把目标到位号调到可以离开刀库的位置，步骤比较少，步骤号从 101 开始与 DB9900 步骤号从 1 开始不同。
1.1.3 DB9902 响应表
DB9902 响应表的步骤不是每次换刀都全部执行，而是根据主轴无刀抓新刀、主轴有刀换刀、还刀 3 种情况执行不同的步骤，响应对应的信号即可完成换刀过程。
DB9902 响应表建立要点：
建立响应表应该穷举出主轴无刀抓新刀、主轴有刀换刀、还刀这 3 种刀库动作的所有状态。有共同的状态合成同一步，不同的状态需要全部列举出来放入 DB9902 中。每一步都要指明新刀和旧刀的动作，如果没有动作，起始值设为零。
响应表中的新/旧刀要执行相应的动作，动作起始值填写DB9900 中编写动作步骤的步骤号。
刀库结构越复杂，换刀的中间状态越多，建立的响应表步骤越多。
响应表还要建立刀库旋转的步骤和换刀终止的步骤。刀库旋转旧刀没有动作，新刀动作的起始值要和 DB9901 中相应动作的步骤号相同。
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。在缓冲区中用“9998，1”代表主轴，“9998，2”代表卡爪 1，“9998，3”代表卡爪 2。一般刀库装刀点都是主轴，用“9999，1”表示，如果还有第二装刀点，则用“9999，2”表示。
1.2 自动换刀命令和应答
刀库换刀相关命令读取地址见表 1。
表 1 自动换刀命令信号接口
DB4300.DBX0.0 是命令位，代表当前有命令。DB4300.DBB1中的每一位对应不同的命令内容。
自动换刀过程中，DB4300.DBX1.0~DB4300.DBX1.6 中的信号来自 NCK，结合换刀程序的信息和刀具管理表的实际情况，向 PLC 发出不同的信号。例如：换刀程序执行时主轴上无刀，则DB4300.DBX1.4 置 1；执行换刀程序 T0，则 DB4300.DBX1.3 置1；换刀执行到需要刀库旋转找刀时，DB4300.DBX1.2 置 1。
正常情况下换刀程序执行 M206 指令后，DB4300.DBX1.1一直置 1，刀库换刀位的刀号和主轴上刀具的原刀位不相同时，DB4300.DBX1.1 不会置 1，还有其他条件也可能导致 DB4300.DBX1.1 不会置 1，需要多加观察。
自动换刀各个步骤应答地址见表 2。
表 2 自动换刀应答信号接口
表 2 中数字对应 DB9902 中的步骤数。例如 DB4200.DBX0.1中 1，对应 DB9902 中的第 1 步，当换刀过程中执行到 DB9902中的第 1 步，如果 PLC 将 DB4200.DBX0.1 置 1，表示 DB9902 中的第 1 步完成，否则刀具管理表认为这一步没有完成，不会进行下一步动作。
响应信号使用置位线圈（S），其接通后，在下一个 PLC 扫描周期自动复位，因此不需要复位的 PLC 程序。
响应信号存在的实际非常短暂，只有一个 PLC 扫描周期，因此在 PLC 程序监控中看不到响应信号接通，需要添加输出或者中继点的置位线圈进行辅助显示。
如果不借助辅助显示信号，直接监控到一个响应信号一直存在，则表示该响应信号的命令没有出现，先出现了响应信号。
这种情况下即使响应信号的条件已经不满足，该信号在下一个PLC 扫描周期也不会自动复位，需要接通 DB4200.DBX9.0 来复人的思路，各有不同。主要说明 PLC 中传送/响应步骤表的建立。
2.1 DB9900 常量传递表
由于 ARROW500 没有换刀臂，换刀的步骤比较少。新刀移动步骤只有一步：刀库→主轴；旧刀移动步骤也只有一步：主轴→刀库。因此 DB9900 中只设计2 步就可以，ARROW500 的DB9900设置如图 1 所示。
图 1 ARROW500 的 DB9900 设置
步骤 1 表示刀具从刀库到主轴的过程。其中 DB9900.DBW0 和DB9900.DBW2 的数值“0，1”代表源刀库号和源刀位号。DB9900.DBW4 和 DB9900.DBW6 的数值“9998，1”代表目标刀库号和目标刀位号，也就是主轴。
步骤 2 表示刀具从主轴到刀库的过程。其中 DB9900.DBW8和 DB9900.DBW10 的数值“9998，1”代表源刀库号和源刀位号，也就是主轴。DB9900.DBW6 和 DB9900.DBW8 的数值“0，2”代表目标刀库号和目标刀位号。
2.2 DB9901 变量传递表
DB9901 主要显示刀库旋转动作的步骤。ARROW500 的DB9901 数据如图 2 所示。
图 2 ARROW500 的 DB9901 设置
该步骤只有一步，从刀库到主轴的数据传递。DB9901.DBW0和 DB9901.DBW2 中的数据“1，0”代表源刀库号和源刀位号，表示刀库中某个刀位，“0”会在 OLC 程序中修改为当前刀位号。DB9901.DBW4 和 DB9901.DBW6 的数值“9998，1”代表目标刀
库号和目标刀位号，也就主轴。
2.3 DB9902 响应表
安装每一步新刀和旧刀只有一个可以动作的原则，响应表穷举刀库换刀的所有可能步骤，斗笠式刀库响应表设计见表 3。然后根据表使用填写 DB9902 数据块数据，ARROW500 中DB9902 响应表设置如图 3 所示。
图 3 ARROW500 中 DB9902 响应表设置
执行不同的步骤，响应对应的信号即可完成换刀过程。例如：
（1）主轴无刀抓新刀步骤顺序（以表 3 中步骤为例）为：步骤5→步骤 3→步骤 2。
（2）主轴有刀换刀步骤顺序为：步骤 4→步骤 5→步骤 3→步骤 2。
（3）还刀步骤顺序为：步骤 4→步骤 2。
表 3 斗笠式刀库响应表设计
3、结语
通过对西门子 828D 换刀功能的探索与实践，顺利完成ARROW500 加工中心的改造项目，并且对西门子数控系统的数据流有了更加深刻的认识，对与西门子数控系统的其他故障排除有很强的借鉴意义。
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