一種數控機床刀具自動識別系統的設計與實現

張愛紅

（無錫職業技術學院，無錫 214121）

0 引言

隨著制造企業的發展，數控機床與刀具數量、品種的增加，傳統的機床刀具管理方式已不能滿足企業信息化、智能化發展的需要。為了快速、準確的識別刀具、更新刀具偏置值，將射頻設備應用于機床刀具管理已成為機床用戶的新選擇。目前刀具自動識別主要有兩種方式：1）采用PC或PLC與RFID處理器的通信，再由PC或PLC與機床通信交換信息[1,2]；2）采用機床與RFID處理器直接通信。相比較而言，后者無需額外配置PC、PLC等設備，具有通信環節簡化，成本低等優點，是機床用戶的首選方案。文中以巴魯夫處理器與FANUC 0i MD數控加工中心的直接通信為例，給出了系統硬件組成、總線參數配置、PMC編程方法，基于此實現了數控刀具的自動識別與刀偏數據的自動錄入，為機床刀具智能化管理提供了新思路。

1 系統開發

1.1 系統組成

用于工業識別的巴魯夫RFID處理器支持Profibus，Profinet，DeviceNet等多種接口，系統設計時選用了支持Pro fi bus DP通信的處理器模塊（BIS M-6002-019-050-03-ST11），將機床配置為通信主站，處理器為從站。讀寫頭與處理器采用電纜連接，可直接讀寫安裝于刀柄中的編碼塊數據，系統組成如圖1所示。

圖1 系統組成框圖

1.2 現場總線通信參數配置

為了確保數控機床與外部設備的總線通信，需要正確配置兩者間的通信參數。與FANUC數控機床配置為通信從站相比[3]，主站配置較為復雜，需設置項包括：總線參數、子表、子單元參數、模塊數據、輸入輸出緩沖區、運行方式等。目前有兩種設置方法[4]：一是借助于軟件CNC Setting Tool，二是手動在線設定。考慮到配置方法的通用性，文中以機床側輸入輸出緩沖區、用戶參數數據的手動設定說明其配置要點。

1）輸入輸出緩沖區

數控機床與巴魯夫處理器的數據交換是通過機床PMC輸入輸出緩沖區數據傳送來實現的，分為讀寫兩種不同操作。寫數據時，PMC將數據發送至輸出緩沖區；讀數據則由PMC從輸入緩沖區取數據。配置輸入輸出緩沖區前需先設定模塊數據（MODULE DATA），巴魯夫M60x2處理器設備文件（Bal608EE.gsd）給出了模塊數據的范圍：4～128字節，也就是可配置的輸入輸出緩沖區大小。對于64字節的輸入輸出模塊，16進制的模塊數據為：0x40，0x5F，0x80，0x5F，需將上述數據設置到“模塊數據”頁面，如圖2(a)所示。設置時先將長度設為4，表示模塊數據占用4個字節，再將偏移設為ON，最后輸入模塊數據：40，5F，80，5F。

根據模塊數據的設置，輸入輸出緩沖區大小均為64字節，需要連續編址且不能占用機床已使用的內部繼電器。圖2(b)給出了DP主站側的設置：從站（處理器）總線地址為3，插槽為0，機床PMC側輸入輸出緩沖區首址設為R1000（DI）與R1100（DO），字節數（SIZ）為64，結果輸入緩沖區配置為R1000～R1063，輸出緩沖區為R1100～R1163。

圖2 模塊數據與DI/DO設置

2）用戶參數數據（USER PRM DATA）

考慮到所選處理器帶兩個讀寫頭，前文配置的64字節為兩個讀寫頭緩沖區的總和。讀寫頭1緩沖區大小由用戶參數數據第6個字節設定，剩余字節自動分配給讀寫頭2。用戶參數數據的缺省值為：0x00，0x80，0x00，0x82，0x00，0x02，實際使用時需修改第6字節，為0x10時表示將讀寫頭1的輸入輸出緩沖區設為16字節，剩余48字節自動分配給讀寫頭2。系統中只配置了一個讀寫頭，實際用于數據傳輸的輸入緩沖區為：R1000～R1015，輸出緩沖區為：R1100～R1115。緩沖區的首尾字節為位頭（Bit Header），用于數據傳輸時的節拍控制。位頭的數量可由用戶參數數據第4字節的第8位設定，缺省值為1時表示使用首尾位頭，此時系統可用于數據傳送的字節數（帶寬）為14。

1.3 機床PMC通信編程

機床與巴魯夫處理器通信采用對話式的協議序列，具體如下：1）PMC發送命令標識碼、數據地址與字節數等，并置位輸出緩沖區AV信號，通知處理器輸出數據有效、傳送作業啟動；2）處理器接收到信號后置位AA信號；3）如果雙方傳送的數據超出14字節長，還需使用TI、TO位以及計數器完成附加數據的傳送；4）處理器操作完成后將置位AE信號；5）PMC接受數據后將復位AV信號；6）最后處理器復位AA、AE信號，準備后續作業的傳送。其中AV、AA、AE、TI、TO等為輸入輸出緩沖區位頭信號。

1.3.1 輸入輸出緩沖區位頭信號定義

通過讀寫輸入輸出緩沖區首尾字節位信號實現數據的傳送控制。輸入緩沖區的首尾字節位表示識別系統（BIS）的狀態，輸出緩沖區首尾字節位則用于命令控制。根據系統輸入輸出緩沖區的設定給出了位頭信號的定義，如表1所示。

1.3.2 編碼塊數據讀寫例程

本系統只使用編碼塊前10個字節存放數據，編碼順序為：刀具號，刀具直徑，刀具長度，刀具直徑磨損量，刀具長度磨損量，每個數據占用兩個字節。讀操作時，安裝編碼塊的刀柄進入讀寫頭識別區域時，系統自動讀取刀具數據，并調用窗口功能將刀具數據寫入刀偏表。寫操作時，系統將PMC數據表中指定數據寫入編碼塊，實現刀具數據的快速更新。刀柄編碼塊數據的讀、寫控制均通過PMC編程實現。

1）讀取編碼塊數據

基于機床與處理器的通信時序要求，讀控制流程如下：（1）將機床面板上的閑置按鍵（例：X0.6）定義為讀操作切換鍵，在識別系統就緒時按下該鍵，使保持型繼電器K11.0置位，K11.1復位，系統處于讀使能狀態；（2）判斷輸入緩沖區首尾字節是否一致，一致時將內部繼電器R1410.0置位；（3）編碼塊出現在讀寫頭識別區時，發送讀命令碼0x01→R1101，0x00→編碼塊數據低位開始地址R1102，0x00→編碼塊數據高位開始地址R1103， 0x0a→編碼塊數據低位字節數R1104，0x00→編碼塊數據高位字節數R1105；同時置位輸出緩沖區位頭信號AV、AV2；（4）當AE信號置位時，將輸入信號傳送至數據表（如圖3所示）；（5）置位讀操作結束信號R1410.5；（6）調用窗口功能指令WINDW，將數據寫入刀偏表。

表1 輸入輸出緩沖區位頭信號

圖3給出了部分輸入信號的傳送過程。程序執行結果將輸入緩沖區R1001～R1002數據直接傳送至數據寄存器D206～D207，而緩沖區R1003～R1004數據經中間變量D400乘1000后傳送至D210～D213。

圖3 數據傳送例程

在調用窗口功能指令前，需定義寫入刀偏的數據表。以寫入刀具直徑為例，新增數據表的首地址為D200，如圖4(a)所示，數據構成如圖4(b)所示。寫入刀具幾何直徑偏置值的功能代碼為14，結束代碼無需設定；考慮到應用數據表寫入刀偏量的單位為微米，數據長度需占用4字節。偏置號為讀取的刀具號（10）；偏置類型設為1時，表示寫入刀具直徑值。窗口指令執行后，數據寫入刀偏表。

圖4 PMC數據表設置

2）寫入編碼塊數據

與讀編碼塊數據相比，寫操作無需調用PMC窗口功能，但在數據傳送中需要調用TI信號，其控制流程如下：（1）將機床面板上的+X、-X手動按鍵同時按下時定義為寫操作控制鍵，目的使K11.0復位、K11.1置位，系統處于寫使能狀態；（2）接著判斷輸入緩沖區首尾字節是否一致，一致時內部繼電器R1410.1接通；（3）編碼塊出現在讀寫頭識別區時，發送寫命令碼0x02→R1101，0x00→編碼塊數據低位開始地址R1102，0x00→編碼塊數據高位開始地址R1103，0x0a→編碼塊數據低位字節數R1104，0x00→編碼塊數據高位字節數R1105；同時置位輸出緩沖區位頭信號AV、AV2；（4）AA狀態位為1時，將預置數據表（例如D300）開始的刀具號、直徑值、長度等傳送至輸出緩沖區；（5）取反TI信號位，數據輸出啟動；（6）查詢處理器命令完成信號AE，AE為1時復位AV信號，數據傳送結束。

2 結束語

將巴魯夫處理器用于數控機床刀具的自動識別，可實現刀具數據的自動錄入與更新，與人工操作相比，既可縮短數據輸入的時間，又可防止手工輸入的誤操作，從而提高了機床的運行效率，是刀具管理自動化與智能化發展的趨勢。