郭 课,陈文亮

1.南京航空航天大学 机电学院 南京 210016;2.河南工学院 机电工程系 河南新乡 453003

1 研究背景

数控机床的刀具管理功能对提升数控机床在加工中的生产效率和节约生产成本方面起着举足轻重的作用,一个便捷、高效、准确的刀具管理系统是加工中心高效生产的保障。但是在传统的刀具管理系统中,刀具的耐用度、刀具的破损和磨损、刀具的长度、刀具的种类、刀具的几何形状和尺寸等与刀具相关的信息需要预先被输入到数控机床的数控系统中去[1-3],由于手动输入的不稳定性,对数据信息的输入存在不容易纠错的缺陷,进而会导致生产加工的错误,造成不可估量的损失。为了弥补人工输入刀具信息容易出错、不稳定的问题,笔者采用基于射频识别(RFID)的刀具识别系统来识别刀具的信息,很好地解决了这一问题[4]。

RFID是利用电磁波的反射能量进行通信的一种技术。无线射频识别技术采用大规模集成电路计算、电子识别和计算机通信技术,通过读写器和安装于载体上的RFID标签,能够实现对载体的非接触识别和数据信息交换[5]。

由于RFID技术一产生就用于识别物体,因此在很多时候被认为是一种自动识别技术,这种看法显然是模糊和有局限性的。RFID可以归入短距离无线通信技术,与其他短距离无线通信技术无线局域网、蓝牙、红外、低功耗无线网上协议、超宽带无线定位相比,最大的区别在于RFID是被动工作模式,即利用反射能量进行通信。

将RFID 技术应用到数控加工生产中的刀具管理和刀具识别过程中,可以提高刀具管理的自动化程度和管理效率,实现精确快速识别、跟踪刀具,并将刀具信息反馈给IPC(进程间通信)的刀具管理系统,执行相应加工动作[6]。

将RFID成功应用到刀具识别和刀具管理中,首推德国的巴鲁夫公司。自动处理刀具特定数据开启了刀具管理的新境界。避免了人工输入的错误,在装载和卸载过程中,RFID可以连续记录刀具信息并自动利用刀具。通过绑定在刀具上的RFID编码块,使刀具管理的各个模块,如刀具测量(利用对刀仪)、刀具传输和刀具存储、机床和刀具监控,以及刀具修磨(如有必要),一直都处于整个生产过程的正确位置。通过这种方式,RFID确保机加工的高质量和刀具的最优利用,通过这种非接触式的数据交流,创造最大价值。

2 西门子828D数控系统刀具管理功能

西门子828D数控系统的刀具管理功能在原来的840D标准的刀具管理功能基础上作了简化,但是保留了预置的刀具管理基本功能和可以选配的刀具管理高级功能两个主要的功能选项。

2.1 刀具管理基本功能

828D刀具管理的基本功能集成了对刀具和刀具库的一些基本管理功能,这些功能具体包括安装刀具和卸载刀具、给每个刀具号定义特定的刀具边沿号、输入刀具补偿值、找寻刀具和换刀指令等基本功能。

2.2 刀具管理高级功能

可选的高级功能包括刀具监控功能和刀库管理两大功能。

刀具监控功能有三种类型可供选择:切削工件数监控、刀具寿命(切削时间)监控和刀具磨损量监控。这三种类型通过系统变量MD$TC_TP9进行选择,见表1。

表1 刀具监控功能系统变量

如果一把刀具正在主轴上进行加工,而此时达到监测极限,则它仍然会继续使用,直到该次加工结束,而不会中断加工进行换刀。只有到下次选中该刀具时,其状态会变更为不可用,PLC(可编程序控制器)或NC(数控)系统会寻找备用刀具进行加工。当一把刀具的一个切削边沿(最多有12个切削边沿)达到寿命极限,则整个刀具的状态变为不可用。此时在刀库表的刀具状态后会出现1个“G”。如果一把刀具的切削边沿达到预警极限,则整个刀具的状态变为“达到预警极限”,在刀库表的刀具状态后会出现1个“V”,同时发出警报,提醒操作者准备替换刀具[7]。

刀库管理功能指的是对刀库刀位的优化管理。这里所指的刀位包括空刀位、装载了刀具的刀位以及大尺寸刀具所占用的相邻刀位。刀库管理功能的主要内容包括刀具装载、刀具卸载、刀具定位、寻刀、寻找刀位,以及换刀时的搜索策略的选择等。

3 RFID的应用

笔者研究的主要目的是将RFID技术与西门子828D数控系统的刀具管理高级功能相结合,实现刀具数据的自动在线传输、储备和监测,避免数控机床操作人员手动向数控系统中输入刀具信息时的不稳定性对生产造成严重的影响和不必要的损失,为进一步实现全生产车间数字化管理奠定良好的基础[8]。

3.1 828D刀具管理高级功能的激活

(1)人机界面的调整。对于828D的HMI(人机界面),不需要对刀库管理进行特殊的设置,只要系统刀库管理功能生效以后,系统会自动用带刀库管理功能的操作画面来代替标准的刀具参数显示画面,在这个画面里既能显示刀库里刀具的情况,也能显示缓冲区里面的刀具情况,还可以选择显示所有的刀具列表,可以对刀具进行管理,比如装载和卸载,是定点换刀还是随机换刀,常规的刀具尺寸修改、刀具位置的重新分配等。

(2)数控核心的调整。西门子828D数控系统的刀具管理高级功能NCK(数控核心)是1个选项,因此需要事先激活该选项功能。由于刀具管理高级功能需要占用到一部分内存,因此需要在系统里面预留相应的内存,主要相关参数如下:

MD18080,系统刀库管理参数,对整个系统而言;

MD20310,通道刀库管理参数,仅对相应通道而言,一般设置成和MD18080一样;

MD18082,系统管理的刀具数,一般要大于实际的刀座数;

MD18084,系统管理刀库数量,要包含虚拟刀库,所以至少为3;

MD18086,系统管理刀座数量,要包含虚拟刀座,不小于实际刀座数+5;

MD18100,系统管理的刀沿数,一般要大于系统管理的刀具数。

以上参数的修改都会涉及到内存的重新分配,所以修改后不要下电和 NCK复位,要立即做NC数据的备份,再回装回来,这样 NCK 的刀具管理高级功能就激活了。

3.2 刀库的建立

通过以上参数的设定,系统只是为刀库管理预留了相应的空间,但对于刀具的特征(比如刀库的类型,实际刀库的数量,虚拟刀库的数量等),需要通过对刀具管理系统的变量来定义,系统可以通过传输一个刀库定义来对系统变量赋值,也可以通过执行一个子程序来对这些变量赋值,对于HMI_ADVACED软件来说,可以启动菜单里通过图形交互形式生成一个刀库配置文件,对PCU20手机而言,只能通过编辑器来编辑刀库定义文件,里面主要包含以下信息:

$TC_MAP1[0]=0,删除原来有关刀库的数据;

$TC_DP1[0,0]=0,删除原来有关刀具的数据;

$TC_MAP1[n],刀库的类型,实际的刀库类型一般有两种,链式刀库和车床用的刀塔;

$TC_MAP7[n],刀座的数量,n表示刀座号;

$TC_MAMP2,刀具和空刀座的搜索策略;

$TC_MAP3[1],实际刀库状态,只有激活后该刀库才能使用;

$TC_MP1[n,m]、$TC_MP2[n,m]、$TC_MP3[n,m]、$TC_MP4[n,m]、$TC_MP5[n,m],定义刀座状态;

$TC_MLSR[n,m],把缓存刀库的刀座分配给相应的主轴;

$TC_MDP1[n,m]、$TC_MDP2[n,m],定义虚拟刀座和换刀点的偏置量,这个参数对装卸刀具点才有用,对其他虚拟刀座来说,这个值为0。

当这些系统参数正确定义以后,在刀库管理显示画面里就可以看见刀库的情况了,可以依照操作说明书来建立新刀具。

3.3 PLC的调整

PLC要处理刀库管理发送过来指令的应答信号,它必须知道有关刀库的一些情况,根据这些情况生成相应的DB数据块,在HMI_ADVACED里和配置刀库管理的菜单里,有一个软件能根据刀库的具体配置文件生成相应的数据块DB71-DB74,对PCU20而言,只能通过系统数据块DB4来生成。在DB4里面定义刀库的特征,这些定义在OB100里面调用一次就行了,附件有一个常用刀库的数据块定义文件FC100,如果刀库类型一致,调用时只要输入相应的刀座数即可,主要参数如下:

DB4.DBW64,刀库数量;

DB4.DBW65,刀库号;

DB4.DBW67,刀库类型;

DB4.DBW68,刀库的刀座号;

DB4.DBW65到DB4.DBW68,要根据刀库的数量挨个定义,包含虚拟刀库;

DB4.DBWn,主轴数量n的数值为DB4.DBW64的值×5+65。

3.4 RFID芯片中存储的刀具数据

在RFID芯片中存储的信息通常包括刀具编码、刀具状态、刀具的刀号、刀具尺寸数据以及刀具寿命数据等。本项目选取的RFID芯片为巴鲁夫公司生产的BIS C-128-11/L型编码块,其每个区可存储32字节的数据。在本项目中,该芯片存储的数据见表2。

表2 RFID芯片中存储数据

3.5 读写RFID芯片中的数据

利用RFID读写器处理输入的相对应命令,通过选定的读写探头,可以读写RFID芯片中的数据信息。笔者选用的RFID读写器型号为巴鲁夫公司生产的BIS C-625,通过RS232接口与数控系统进行通信。读写探头型号为BIS C-325系列,该探头的有效读写距离为0～3 mm[9]。

BIS C-625读写器所使用的命令均由1个头命令所引导,与数据读写相关的头命令参见表3。

表3 RFID读写器头命令

下面以“C”命令为例,用以说明这些头命令的具体使用方法。假设需要通过4号读写头读取1个大小为64字节的芯片中由第80个地址位开始的20字节的数据,则需输入以下命令:

C 0080 0020 40 J

其中,数字0080代表由第80个地址位开始读取数据,0020代表读取数据的大小为20个字节,4代表使用4号读写头,最后一个数字0代表所读取的芯片大小为64字节,字母J代表的是该命令的BCC编码值[10]。

3.6 基于RFID的刀具识别与管理系统实例

该刀具识别与管理系统的具体工作流程如图1所示。

图1 刀具识别与管理系统工作流程

使用刀具前,需先在对刀仪上进行对刀,将对刀仪输出的刀补参数值和设定好的刀具寿命信息通过手持读写器写入刀柄上的RFID芯片中。刀具装载入数控机床时,点击软件界面中的“ReadFromChip”键,通过自动装刀位或者手动装刀处的读写头,将RFID中的信息显示在软件界面的对应项目栏中,如图2所示。如果信息输入有错误,可以直接在软件界面进行参数修改。修改完成确认无误后,点击“WriteToNCK”键,即可将这些信息写入相对应的系统变量中。

图2 软件界面

当把每把刀的信息都输入完毕后,即可进行加工工作。在零件的整个加工过程中,用西门子828D自带的刀具管理功能模块来实现选择刀具、交换刀具和刀具状态的在线监控,按照加工的要求对刀具进行实时管理。在零件加工阶段,刀具管理软件持续扫描被PLC数据模块管理的DB72中DBX0.0、DBX4.1和DBX4.2位值的时实变化,同时根据变化值进行自适应的读写管理操作,及时更新原来旧的刀具寿命参数信息。

4 结束语

将RFID无线射频技术应用到西门子828D的刀具实时管理功能中,可以有效地降低人工的劳动强度和人工成本,对机床所属刀具进行实时管理和识别,不仅提高了劳动生产率,减少了残次品的出现,同时还节约了生产成本,对生产企业的利润有进一步地提升。

在上述前提下,该刀库管理系统还可以更深一步优化,比如创建一个刀库数据库,自动进行刀库管理与维护;中央计算机对刀库信息进行数据采集,实时更新刀具刀柄上的RFID芯片数据[11]。与此同时,还可以在生产全程的每一个环节上,追踪每把刀具的使用信息情况。基于以上的措施,对生产加工企业的生产效率和自动化水平将会是一个巨大的提高。