加工中心通常帶有刀庫和附件庫，選擇一個高效可靠的刀具管理方案是加工中心設(shè)計與改造過程中必須著重考慮的問題。

　　原德國KOLB公司的CUBIMAT T／IT／VT／HT系列五面體龍門加工中心具有基本相同的機床結(jié)構(gòu)。圖1是VT2500型帶移動分度臺的17軸機床示意圖，它具有3個刀庫U1／U2／U3、1個附件庫U(自帶3個附件頭)、1個裝卸刀庫u4，配置2個機械手E1／E2及其水平移動軸V、垂直移動軸Q和旋轉(zhuǎn)軸仍。主加工區(qū)有常規(guī)的工作臺x軸、滑座水平移動y軸、滑枕垂直移動z軸、橫梁同步垂直移動W／W1軸和主軸C，另外配有移動式分度臺A軸。

 圖1 CUBIMAT VT2500機床軸示意圖

　　SIEMENS 840D數(shù)控系統(tǒng)可選配刀具管理功能。它具有刀具裝載、卸載和重新定位等功能，提供刀具管理數(shù)據(jù)修改功能FC塊和后臺數(shù)據(jù)塊作為PLC接口，根據(jù)刀庫結(jié)構(gòu)形式來組態(tài)，靈活方便、功能強大，適用于轉(zhuǎn)塔式、鏈式、抽屜式以及一些特殊結(jié)構(gòu)的刀庫。

　　換刀、換附件通過NC編程與PLC編程相結(jié)合來實現(xiàn)。NC程序控制相應(yīng)的軸移動，一定的步驟完成即通知PLC修改刀具管理數(shù)據(jù)，使其與實際狀態(tài)始終保持一致。由于與刀庫有關(guān)的10個數(shù)控軸通常分配在第2通道，NC編程時需注意兩個通道之間的程序協(xié)調(diào)。如果將這些軸改變?yōu)镻LC軸，則可以通過PLC程序來控制軸移動。為方便調(diào)試及點動操作，可設(shè)置單鍵切換回NC軸。

1 機床參數(shù)

　　MD18080——通用刀具管理功能定義，它有l(wèi)O位，分別激活相應(yīng)的刀具管理功能，可根據(jù)機床需求設(shè)定。

　　MD20310——通用刀具管理功能定義，它有24位，分別對應(yīng)不同的單項功能方式，可根據(jù)機床特點設(shè)定，但其低4位應(yīng)與MDl8080一致。

　　MD18082——刀具數(shù)量：150把，最多600把。

　　MD18084——刀庫數(shù)量：8個，最多32個。

　　MD18086——刀位數(shù)量：120個，最多600個。

　　MD18100——每個TOA域中刀沿數(shù)量：500，最大值=MDl8082xMDl8106。

　　MD20110——復(fù)位功能模式，它有18位，決定NC復(fù)位后的各功能狀態(tài)。如位6對應(yīng)刀具偏置，結(jié)合

　　MD20120和MD20130等參數(shù)決定刀具長度補償在復(fù)位后是否保持有效；位14=1對應(yīng)基本零偏在復(fù)位后保持有效。

　　MD20112——啟動功能模式，它有18位，各位與

　　MD20110完全一致。

　　MD22550——新刀具補償生效方式：1。

　　MD22560——換刀M功能：6，表示換刀指令為M06。

　　T指令對應(yīng)刀具準備，M06對應(yīng)換刀。T2指令對應(yīng)換附件準備，M2=6對應(yīng)換附件。刀具補償在M功能完成后生效。

　　MD28085——TOA域功能鏈接，如果需要在第2通道中能運行通道1中所有關(guān)于刀具管理的功能，則設(shè)置通道1和通道2中該參數(shù)均為1(假設(shè)只設(shè)置了1個TOA)。

　　另須設(shè)置選項功能參數(shù)，必要時還需設(shè)置MDl8090一MDl8116以及MD20122、MD20124等參數(shù)。

2 刀庫配置

　　刀庫U1／U2／U3以及刀具裝卸庫U4均有24個刀位，分上下兩層各12個刀位；附件庫有4個附件頭位；另外為了操作方便，設(shè)置1個虛擬手動裝卸刀庫，含有20個刀位，該刀庫中的刀具均為手動裝卸。在刀具管理中，刀具與附件同樣對待，只是其刀具類型和刀沿數(shù)據(jù)不同。加上緩沖區(qū)、裝載點，一共有8個刀庫。

　　對于緩沖區(qū)，應(yīng)有滑枕(對應(yīng)附件)、主軸(對應(yīng)刀具)、機械手1、機械手2共4個刀位。機械手1用來裝卸附件和抓取新新刀，機械手2用來抓取舊刀。其刀庫定義如表1。

　　其中緩沖區(qū)和裝載點的刀庫號為系統(tǒng)內(nèi)定，只需對其各刀位特性進行定義即可。為了管理各種類型的刀具，將刀位類型分為普通、寬刀、長刀、超大刀具和附件共5種，以適應(yīng)相應(yīng)的刀具存放，其中寬刀、長刀和超大刀具類型刀位均可存放普通刀具，前4種刀位之間存在優(yōu)先級。寬刀不能放在刀庫兩端的刀位上，長刀只能放在上層刀位中，附件只能放在附件刀位中。

3 NC編程

　　刀具管理有關(guān)的系統(tǒng)變量較多，包括刀具數(shù)據(jù)、刀沿數(shù)據(jù)、刀庫數(shù)據(jù)、刀位數(shù)據(jù)等。常用的刀具數(shù)據(jù)如$TC_TP1~1l、$A_TOOLMN、$A_TOOLMN、$P_TooLND等；刀沿數(shù)據(jù)如$TC—DPI～25、OEM定義數(shù)據(jù)$TC_DPCI~10等；刀庫數(shù)據(jù)$TC_MAPI~10等；刀位數(shù)據(jù)$TC_MPP1~7、OEM定義數(shù)據(jù)$TC_MPPCI~10等。還有一些關(guān)于刀具監(jiān)控、刀位類型優(yōu)先級、緩沖區(qū)分配等的系統(tǒng)變量。所有的刀庫配置都可用系統(tǒng)變量定義來代替HMI界面組態(tài)的過程，系統(tǒng)關(guān)于刀庫配置的數(shù)據(jù)備份也是通過這些系統(tǒng)變量的賦值來實現(xiàn)的。

　　刀具偏置用于因附件頭運動、工件運動等引起的自動刀具定向，采用SIEMENS提供的標準循環(huán)Cycle800可以實現(xiàn)該功能。Cycle800內(nèi)部是通過各種條件的判斷后對刀架數(shù)據(jù)賦值來完成的，所以也可以直接根據(jù)刀架運動的關(guān)系賦值相應(yīng)的刀架數(shù)據(jù)來實現(xiàn)刀具偏置的功能。

　　相應(yīng)的MDl8088——最大可定義刀架數(shù)量，應(yīng)大于0。常用的刀架數(shù)據(jù)$TC—CARRl～33等，是決定刀具定向偏置數(shù)據(jù)的系統(tǒng)變量。附件頭自身的各坐標方向偏置值、旋轉(zhuǎn)后相應(yīng)坐標方向的補償值均通過加工中心自身測量得到，經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)學(xué)計算即可得到各種附件各種角度下的刀具定向偏置值。

4 PLC編程

　　SIEMENS公司在Sinumerik 840D的toolbox中帶有刀具管理實例。雖然實例中是鏈式刀庫，但其控制思路很明確，相應(yīng)的FB90、FB91、FB92、FB93和FC90等均可以根據(jù)需要修改后用在相應(yīng)的加工中心。

　　在PLC編程之前編制刀庫數(shù)據(jù)管理任務(wù)表是關(guān)鍵。它將每個需要修改刀具管理數(shù)據(jù)的任務(wù)列成表格(目前它最多允許建立32個任務(wù))，然后將每個任務(wù)分解成單個運動步驟，各個運動步驟可通過NC程序或PLC程序完成。

　　根據(jù)CUBIMAT系列五面體加工中心的特點，結(jié)合用戶靈活方便的使用需求，其刀具數(shù)據(jù)管理任務(wù)主要有如下幾個特點：

　　(1)換刀過程分為換刀準備、取新刀、卸舊刀、裝新刀、舊刀入庫等5個任務(wù)。其中卸舊刀與裝新刀占用加工時間，另3個任務(wù)均在不影響加工的情況下完成；

　　(2)換附件過程分為換附件準備、卸舊附件、舊附件入庫、取新附件、裝新附件共5個任務(wù)，均占用加工時間：

　　(3)有的刀具原不在刀庫中，若非要將刀具放人刀庫，然后自動取刀、裝刀，則會浪費較多時間。為了方便用戶使用，設(shè)置了虛擬手動刀庫u5，操作人員就可自由選擇自動換刀或手動換刀；

　　(4)新刀入庫、舊刀卸載均通過U4庫。刀具在U4庫與U1／U2／U3之間的位置交換通過刀具管理的“重新定位”功能實現(xiàn)。它通過激活相應(yīng)的刀庫軸和機械手的運動來完成刀具位置交換的目的；

　　(5)如果刀具管理數(shù)據(jù)因錯誤(如換刀中斷、數(shù)據(jù)未及時修正等)使其與實際刀具狀態(tài)不一致，可通過“重新定位”軟鍵功能來修改刀具管理數(shù)據(jù)。此時它并無實際的刀具移動，只是位置數(shù)據(jù)的修改。

　　根據(jù)以上特點，編制其任務(wù)如表2所示。

　　其刀具管理功能提供了4個后臺數(shù)據(jù)塊作為PLC接口。DB71存放用于裝載、卸載、重新定位以及定位刀位至換刀點的數(shù)據(jù)，其長度為4+nx30Byte，n=裝載點數(shù)量(本例為1)；DB72存放用于換刀準備、換刀至主軸的數(shù)據(jù)，其長度為4+nx48Byte，n=主軸數(shù)量(本例為2)；DB73存放用于轉(zhuǎn)塔刀庫換刀的數(shù)據(jù)，其長度為4+n*44Byte，n=轉(zhuǎn)塔號；DB74為刀具管理內(nèi)部使用的數(shù)據(jù)塊。

　　修改刀具管理數(shù)據(jù)塊主要是通過調(diào)用FC8，上述表2中的任務(wù)1、2、17、18、28、29均對DB71操作，任務(wù)3~16和30、3l均對DB72操作。由s任務(wù)較多，每一個任務(wù)的運行條件又存在多種情況，因此應(yīng)先分別對其條件進行處理，最后一次性調(diào)用FC8，避免因條件交叉引起的修改數(shù)據(jù)失敗。

　　下面是一段新刀裝入主軸1動作完成時刀具管理數(shù)據(jù)修改的程序：

5 結(jié)語

　　經(jīng)過多臺CUBIMAT加工中心的改造，積累了較豐富的經(jīng)驗。經(jīng)刀具管理功能應(yīng)用改造升級后的加工中心重新煥發(fā)了活力并提高了效率，為用戶生產(chǎn)提供了保障，也為國產(chǎn)高端數(shù)控產(chǎn)品的研究與開發(fā)提供了參考。

　　機械手的抓緊控制需用到固定點停止功能。刀庫／附件庫／機械手可定義成索引軸，編寫換刀換附件、附件轉(zhuǎn)位、刀架運動刀具補償?shù)瘸绦驎r需用到多種NC與PLC數(shù)據(jù)交換的方法。為方便調(diào)試和使用，需定義一些全局變量。鑒于篇幅，這些就不一一闡述。