（成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都 610092）

0 引言

刀庫(kù)系統(tǒng)是提供自動(dòng)化加工過(guò)程中所需之儲(chǔ)刀及換刀需求的一種裝置，可以針對(duì)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(jì)效益。刀具管理水平能在很大程度上衡量著一臺(tái)數(shù)控機(jī)床效率和柔性的高低。

現(xiàn)有一臺(tái)“某BA擺角結(jié)構(gòu)的五軸加工中心”是2003年我公司從國(guó)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(zhǎng)時(shí)間的使用，數(shù)控系統(tǒng)A2100已趨于老化，機(jī)械傳動(dòng)部件磨損嚴(yán)重，刀庫(kù)撞壞及運(yùn)行不穩(wěn)定的現(xiàn)象，處于故障高發(fā)期，相應(yīng)電氣及機(jī)械備件已經(jīng)停產(chǎn)，維修頻率高、難度大。購(gòu)買一臺(tái)類似規(guī)格的五軸設(shè)備大概費(fèi)用在60萬(wàn)歐元左右，將該機(jī)床的機(jī)械傳動(dòng)和數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行大修改造約150萬(wàn)，所以將該加工中心進(jìn)行大修改造是十分必要、且相對(duì)經(jīng)濟(jì)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(kù)管理控制相關(guān)技術(shù)的研究與應(yīng)用。

1 內(nèi)部刀庫(kù)管理

Sinumerik 840D SL內(nèi)部集成刀庫(kù)管理功能，能確保任何時(shí)候機(jī)床上刀具都位于正確的刀位上，同時(shí)刀具信息得到正確、及時(shí)更新，能及時(shí)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(jì)效益。刀庫(kù)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(jī)界面（HMI）、數(shù)控（NCK）、可編程邏輯控制器（PLC），三部分以獨(dú)立的CPU單元出現(xiàn)，通過(guò)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(shí)現(xiàn)Sinumerik 840D SL系統(tǒng)刀庫(kù)管理功能，其實(shí)就是要實(shí)現(xiàn)刀庫(kù)數(shù)據(jù)在HMI—NCK—PLC之間的共享和交換。因此，刀庫(kù)管理控制主要有以下幾個(gè)部分：刀庫(kù)參數(shù)和NC程序配置、刀庫(kù)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(kù)參數(shù)及接口配置包含三個(gè)部分：系統(tǒng)選項(xiàng)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(xiàng)

表1 激活選項(xiàng)

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(kù)配置

刀庫(kù)配置可以有兩種方法，IBN刀庫(kù)配置或編程刀庫(kù)配置。由于本次改造使用的是SINUMERIK 840D SL HMI-OPERATE，沒(méi)有配置刀庫(kù)界面，需要先安裝HMIAdvanced，在HMI-Advanced上進(jìn)行IBN刀庫(kù)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(yùn)行后生成配置程序。下面以使用刀庫(kù)NC配置進(jìn)行介紹。

由于程序段較長(zhǎng)，只對(duì)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(guò)DB4數(shù)據(jù)塊配置刀具管理接口數(shù)據(jù)塊DB71、DB72……，刀庫(kù)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(dòng)時(shí)激活一次即可，其刀庫(kù)配置PLC程序如下：

3.2 信號(hào)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(guò)數(shù)據(jù)接口傳送到PLC，PLC通過(guò)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(qǐng)求時(shí)，可根據(jù)接口信息執(zhí)行機(jī)床動(dòng)作和刀庫(kù)數(shù)據(jù)的刷新任務(wù)。

圖2 刀庫(kù)PLC響應(yīng)流程

下面以刀具裝載應(yīng)答為例，通過(guò)裝載點(diǎn)2裝載刀具到刀庫(kù)1的5號(hào)刀位：

在本次改造過(guò)程中，PLC接口信號(hào)應(yīng)答主要通過(guò)S7-300 PLC調(diào)用840DSL的TOOLBOX中的FC90_x.awl和Quit_x.awl完成刀庫(kù)數(shù)據(jù)的刷新和刀盤的運(yùn)動(dòng)控制，Quit_x.awl編譯后生成的FB90會(huì)自動(dòng)調(diào)用FC8，刷新刀庫(kù)數(shù)據(jù)。

刷新刀庫(kù)信息時(shí)，將刀具刀位信息寫入MW520中，通過(guò)FC90，刷新刀位，圖3為刀庫(kù)的PLC刷新流程。

圖3 刀庫(kù)刷新流程

圖4為刀庫(kù)尋刀搜刀的控制流程，通過(guò)FB91讀取當(dāng)前空刀信息或刀位信息，和實(shí)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(kù)尋刀、搜刀流程

4 換刀子程序

該加工中心配置一個(gè)21把刀具，靠主軸的定向、定位、刀庫(kù)定位、刀架移動(dòng)等完成換刀動(dòng)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(kù)的卡槽時(shí)，主軸向上移動(dòng)脫離刀具，這時(shí)刀庫(kù)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)要換的刀具對(duì)正主軸正下方時(shí)主軸下移，使刀具進(jìn)入主軸錐孔內(nèi)，夾緊刀具后，刀庫(kù)退回原來(lái)的位置。

每個(gè)刀庫(kù)、刀盤的動(dòng)作都由單獨(dú)的M代碼進(jìn)行控制，每個(gè)動(dòng)作之間增加安全互鎖，防止錯(cuò)誤操作對(duì)人員和設(shè)備造成傷害。當(dāng)調(diào)試或維修過(guò)程出現(xiàn)故障時(shí)，可用M代碼單獨(dú)控制刀庫(kù)刀盤，提高調(diào)試和維修的效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

該項(xiàng)目自2016年10月正式完工并交付使用以來(lái)，設(shè)備無(wú)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(guò)近一年時(shí)間的使用，沒(méi)有出現(xiàn)由于刀庫(kù)動(dòng)作或刀庫(kù)信號(hào)刷新故障引起的設(shè)備問(wèn)題，已經(jīng)加工了數(shù)百個(gè)零件，每個(gè)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(píng)。

本公司現(xiàn)在多臺(tái)數(shù)控機(jī)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(kù)的形式，通過(guò)本文能夠清晰的了解840D SL數(shù)控系統(tǒng)刀庫(kù)管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和相關(guān)實(shí)踐與應(yīng)用方法，為類似的數(shù)控機(jī)床改造刀庫(kù)管理設(shè)計(jì)提供參考，也能為日常設(shè)備排故中的刀庫(kù)故障的診斷及故障排除提供思路，提高效率。