基于Fanuc系統的加工中心虛擬刀庫技術

郭擁軍 黎月明

(北京控制工程研究所，北京100190)

多數加工中心對刀庫的每一個刀座(套)進行了編號，放入刀具后，刀具所在刀座號自動成為該刀具的刀號，刀具參數表中僅有對應于每一個補償號的長度、半徑補償值;加工程序運行期間，遇到換刀指令(一般為T××M06或M06T××)，即根據程序刀號(××)從刀庫相應編號的刀座選取刀具進行換刀，執行刀具補償命令，根據程序中的補償號(長度、半徑)所對應的刀具參數表中補償值，由數控系統實現刀具運行軌跡(沿軸向/徑向)偏離編程軌跡相應的量來完成加工。這樣，即使由于刀具的制造誤差、加工磨損及加工中途換刀誤差等因素存在，造成加工時刀具長度值或半徑值偏離了編程時的理想值，也不必修改加工程序，僅修改刀具參數表中補償號對應的補償值，仍然能夠保證正確的加工軌跡，這大大方便了數控編程工作。

然而，在多品種小批量的生產模式下，機床刀庫的存刀狀況會經常變化，也很有可能需要更換同類機床進行加工，甚至于刀具磨損后需啟用備份刀具進行加工，導致加工中常常遇到程序刀號、補償號與刀庫現有存刀狀況不匹配情況。因此，每次加工都要逐個程序、逐個刀號補償號進行匹配檢查，發現不匹配就要修改各個程序或將刀具換到相應刀座和修改刀具參數表。這些工作都既費時又很容易發生錯誤，輕則造成停機、廢品，嚴重的會發生重大的生產事故。

此外，刀庫的實際刀座數量是很有限的，且刀座的編號和刀具參數表的補償號廠家都已規定好了，故刀號、補償號的數量是很有限的，無法直接表達重要刀具信息(刀具類型、物理、幾何參數等信息)，而且刀具參數表僅表示了刀具的長度、半徑補償值，直接造成操作者對機床刀庫現有存刀狀況辨識困難，影響工作效率。同時也造成了程序的刀號補償號不代表刀具自身的信息，導致程序可讀性差，影響了刀具信息傳遞、準備、管理的工作效率。

針對以上問題，本文通過設計宏程序在加工中心實現了虛擬刀庫，操作者在“擴展刀具表”中記入虛擬刀號，方便了對刀庫存刀的辨識;程序刀號改為虛擬刀號，提高了程序可讀性;程序運行自動完成刀號補償號的匹配工作，不需要進行匹配檢查、修改程序或改變刀具的刀座和參數，工作更可靠，方便了操作者和編程者，以及刀具信息的交流與管理工作。該技術可推廣應用到其他加工中心。

1 虛擬刀庫技術實現

下面本文就以1臺Fanuc16i系統的五軸五聯動機床為例具體講解如何實現。機床刀庫允許裝刀容量為24把，即機床本身可用刀號僅有24個，為1～24，補償號是1～32，補償號可以和刀號不一樣，但安全操作起見，特別是用UG等軟件進行數控編程時，往往采用刀號和補償號一樣或對應。本文就按補償號和刀號一樣處理，但也支持不一樣(不討論)。

1.1 虛擬刀號

為便于編程者和操作者理解和使用，且虛擬刀號僅反映刀具自身的重要信息(刀具類型、直徑、特殊信息等)，制定7位的虛擬刀號編碼規則如圖1(考慮到Fanuc16i系統宏程序變量值最多可保證精確到8位數字，根據需要，本規則最多可采用8位)。

為方便理解，這里再舉兩個實例來說明如下:①1245100 倒角45°直徑10 mm倒角銑刀;②1680180

刃長8.0 mm直徑18 mm T型槽銑刀。

1.2 擴展刀具表

建立擴展刀具表程序如下:

程序中#1～#24為Fanuc系統局部變量，分別用于記入1～24號刀座放入刀具的虛擬刀號。操作者裝入刀具時，就在刀具參數中記入刀具補償值，在擴展刀具表中記入虛擬刀號。刀座沒有裝刀時，虛擬刀號記入0;刀座中刀具磨損或有問題，來不及更換時，虛擬刀號前加一負號，若相同虛擬刀號的備份刀具同時在刀庫中，即可啟用。本程序后半部分用于循環查找與加工程序中的虛擬刀號相匹配的刀座號，從24號刀座開始循環遞減查找，#101、#102為公共變量，注意避開機床廠家程序已采用的公共變量。

1.3 虛擬刀號換刀指令

虛擬刀號換刀指令——M450T×××××××(T后是7位的虛擬刀號)

Fanuc系統已規定了宏程序M調用功能所調用程序號和參數的對應關系，這里設置參數6084的值為450，即可用M450(注意避開機床已有M代碼)調用宏程序O9024，程序如下:

這里有2點需要說明:

(1)通常程序號9000～9999是處于讀寫保護狀態，需要設定參數寫入允許(PARAMETER WRITE=1)，并設置參數3202的第4位(NE9=0)，才可將程序O9024存入機床，然后設置NE9=1恢復程序的讀寫保護狀態，并設定參數寫入禁止。

(2)程序中可以通過讀取系統變量獲得刀具當前位置坐標和補償值，計算出一坐標值，使建立或取消刀具長度補償時主軸不產生移動，適應刀長變化，避免設定固定坐標可能會出現扎刀或超程現象。而使用五軸機床的斜面加工指令(G432H#4120)來實現，會更加簡單。

1.4 對編制加工程序的影響

手動編程時，采用虛擬刀號換刀指令就不用再進行長度補償，半徑補償號全部采用#4120即可。

采用UG軟件進行編程時，刀號要改為虛擬刀號，還需要對后處理文件做一次適應性簡單修改。有2種方法可以實現這種修改:

方法一:用UG/GPM(Graphics Postprocessor Module)做后處理，可以通過UG工具 MDFG對此前的MDF(即機床數據文件)做出修改:換刀M代碼M06改為M450，刀號的最大值改為9999999;取消長度補償代碼的產生;同時半徑補償代碼字D改為D#4120，半徑補償號產生的總位數設定為0，保存就完成了的修改。

方法二:用UG/Post做后處理，可以通過UG工具POST BUILDER對此前的.tcl文件和.def文件做出修改:換刀M代碼M06改為M450，刀號的最大值改為9999999;取消長度補償代碼的產生;同時半徑補償代碼字D格式由數字改為字符串(String)，字D的表達式(Expression)改為#4120，保存就完成了修改。

此外，由于虛擬刀號對刀具直徑(通常是刀具名義直徑尺寸)表達的比較精確，可以直接用其表達的刀具直徑值作為編程刀具直徑值，通過軟件很容易生成理想的刀具中心軌跡，這樣刀具的半徑補償值就可以控制到較小的數值(同時不影響刀庫中刀具的辨識)，減小了應用刀具半徑補償可能產生過切的幾率和過切量值。

2 結語

虛擬刀庫技術在五軸加工中心的實際應用表明，其應用有以下優點:

(1)使加工程序獨立于刀具實際放入刀座的編號，使得費時且易出錯的程序刀號補償號匹配工作變成了簡單可靠的自動實現。

(2)由于虛擬刀號換刀指令已包含了與換刀有關的安全(復位)操作，使加工程序得到簡化，可讀性增強，運行更可靠(如刀具補償的應用)，同時實現了規范數控編程工作，提高了編程工作效率。

(3)方便了操作者對刀庫存刀的快速準確識別，也加快了刀具信息的交流。

［1］GE Fanuc automation europe.series 16i/18i/160i/180i 160is/180is-MA operator's manual［M］，2000.