基于840D SL刀庫管理控制技術(shù)的研究與應(yīng)用

（成都飛機工業(yè)（集團）有限責(zé)任公司，成都 610092）

0 引言

刀庫系統(tǒng)是提供自動化加工過程中所需之儲刀及換刀需求的一種裝置，可以針對不同的加工需求，選擇不同的加工刀具，大大提高生產(chǎn)率，降低成本，獲得可觀的經(jīng)濟效益。刀具管理水平能在很大程度上衡量著一臺數(shù)控機床效率和柔性的高低。

現(xiàn)有一臺“某BA擺角結(jié)構(gòu)的五軸加工中心”是2003年我公司從國外進(jìn)口，采用SIEMENS A2100系統(tǒng)，主要適用于鋁合金零件的粗加工及精加工。但隨著設(shè)備長時間的使用，數(shù)控系統(tǒng)A2100已趨于老化，機械傳動部件磨損嚴(yán)重，刀庫撞壞及運行不穩(wěn)定的現(xiàn)象，處于故障高發(fā)期，相應(yīng)電氣及機械備件已經(jīng)停產(chǎn)，維修頻率高、難度大。購買一臺類似規(guī)格的五軸設(shè)備大概費用在60萬歐元左右，將該機床的機械傳動和數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行大修改造約150萬，所以將該加工中心進(jìn)行大修改造是十分必要、且相對經(jīng)濟的。

下面將主要介紹此次大修改造中基于840D SL數(shù)控系統(tǒng)的刀庫管理控制相關(guān)技術(shù)的研究與應(yīng)用。

1 內(nèi)部刀庫管理

Sinumerik 840D SL內(nèi)部集成刀庫管理功能，能確保任何時候機床上刀具都位于正確的刀位上，同時刀具信息得到正確、及時更新，能及時替換刀具，從而大大提高生產(chǎn)率，降低成本，獲得可觀的經(jīng)濟效益。刀庫管理主要由三部分構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 刀具管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

人機界面（HMI）、數(shù)控（NCK）、可編程邏輯控制器（PLC），三部分以獨立的CPU單元出現(xiàn)，通過總線連接通訊，在功能上既相互分工，又互為支持。由圖1可以看出，實現(xiàn)Sinumerik 840D SL系統(tǒng)刀庫管理功能，其實就是要實現(xiàn)刀庫數(shù)據(jù)在HMI—NCK—PLC之間的共享和交換。因此，刀庫管理控制主要有以下幾個部分：刀庫參數(shù)和NC程序配置、刀庫PLC數(shù)據(jù)塊配置和刷新、換刀子程序編制等。

2 系統(tǒng)配置

刀庫參數(shù)及接口配置包含三個部分：系統(tǒng)選項功能參數(shù)、內(nèi)存分配參數(shù)和功能參數(shù)，主要相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下所述。

2.1 激活選項

表1 激活選項

2.2 內(nèi)存分配

表2 內(nèi)存分配

2.3 功能參數(shù)設(shè)定

表3 功能參數(shù)設(shè)定

2.4 刀庫配置

刀庫配置可以有兩種方法，IBN刀庫配置或編程刀庫配置。由于本次改造使用的是SINUMERIK 840D SL HMI-OPERATE，沒有配置刀庫界面，需要先安裝HMIAdvanced，在HMI-Advanced上進(jìn)行IBN刀庫管理接口配置。進(jìn)入刀具管理配置界面以后，需要按照界面要求輸入相關(guān)值即可完成相關(guān)設(shè)置，生成配置文件，運行后生成配置程序。下面以使用刀庫NC配置進(jìn)行介紹。

由于程序段較長，只對關(guān)鍵程序段進(jìn)行解讀：

3 PLC程序

3.1 PLC數(shù)據(jù)塊配置

PLC通過DB4數(shù)據(jù)塊配置刀具管理接口數(shù)據(jù)塊DB71、DB72……，刀庫接口配置數(shù)據(jù)塊DB4，一般將其激活程序放于OB100中，PLC啟動時激活一次即可，其刀庫配置PLC程序如下：

3.2 信號應(yīng)答

刀具管理的PLC數(shù)據(jù)接口，刀具管理的操作信息通過數(shù)據(jù)接口傳送到PLC，PLC通過數(shù)據(jù)接口響應(yīng)刀具管理的要求。PLC按照以下步驟進(jìn)行響應(yīng)，如圖2所示，當(dāng)接收到接口請求時，可根據(jù)接口信息執(zhí)行機床動作和刀庫數(shù)據(jù)的刷新任務(wù)。

圖2 刀庫PLC響應(yīng)流程

下面以刀具裝載應(yīng)答為例，通過裝載點2裝載刀具到刀庫1的5號刀位：

在本次改造過程中，PLC接口信號應(yīng)答主要通過S7-300 PLC調(diào)用840DSL的TOOLBOX中的FC90_x.awl和Quit_x.awl完成刀庫數(shù)據(jù)的刷新和刀盤的運動控制，Quit_x.awl編譯后生成的FB90會自動調(diào)用FC8，刷新刀庫數(shù)據(jù)。

刷新刀庫信息時，將刀具刀位信息寫入MW520中，通過FC90，刷新刀位，圖3為刀庫的PLC刷新流程。

圖3 刀庫刷新流程

圖4為刀庫尋刀搜刀的控制流程，通過FB91讀取當(dāng)前空刀信息或刀位信息，和實際前刀位進(jìn)行比較，控制刀盤旋轉(zhuǎn)到所需刀位。

圖4 刀庫尋刀、搜刀流程

4 換刀子程序

該加工中心配置一個21把刀具，靠主軸的定向、定位、刀庫定位、刀架移動等完成換刀動作。部分主要程序段如下所示：

當(dāng)主軸上的刀具進(jìn)入刀庫的卡槽時，主軸向上移動脫離刀具，這時刀庫轉(zhuǎn)動，當(dāng)要換的刀具對正主軸正下方時主軸下移，使刀具進(jìn)入主軸錐孔內(nèi)，夾緊刀具后，刀庫退回原來的位置。

每個刀庫、刀盤的動作都由單獨的M代碼進(jìn)行控制，每個動作之間增加安全互鎖，防止錯誤操作對人員和設(shè)備造成傷害。當(dāng)調(diào)試或維修過程出現(xiàn)故障時，可用M代碼單獨控制刀庫刀盤，提高調(diào)試和維修的效率。

5 結(jié)束語

該項目自2016年10月正式完工并交付使用以來，設(shè)備無論是從系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性、加工效率方面，還是從系統(tǒng)功能上看，較改造之前均有較大的提升。通過近一年時間的使用，沒有出現(xiàn)由于刀庫動作或刀庫信號刷新故障引起的設(shè)備問題，已經(jīng)加工了數(shù)百個零件，每個零件換刀6、7次，零件加工合格，換刀順暢，得到了操作人員以及使用單位的一致好評。

本公司現(xiàn)在多臺數(shù)控機床都采用類似的結(jié)構(gòu)和控制形式，尤其是三坐標(biāo)立式加工中心、五軸數(shù)控加工中心等數(shù)控類加工中心多采用此種刀庫的形式，通過本文能夠清晰的了解840D SL數(shù)控系統(tǒng)刀庫管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和相關(guān)實踐與應(yīng)用方法，為類似的數(shù)控機床改造刀庫管理設(shè)計提供參考，也能為日常設(shè)備排故中的刀庫故障的診斷及故障排除提供思路，提高效率。