郭 課,陳文亮

1.南京航空航天大學 機電學院 南京 210016;2.河南工學院 機電工程系 河南新鄉(xiāng) 453003

1 研究背景

數(shù)控機床的刀具管理功能對提升數(shù)控機床在加工中的生產(chǎn)效率和節(jié)約生產(chǎn)成本方面起著舉足輕重的作用,一個便捷、高效、準確的刀具管理系統(tǒng)是加工中心高效生產(chǎn)的保障。但是在傳統(tǒng)的刀具管理系統(tǒng)中,刀具的耐用度、刀具的破損和磨損、刀具的長度、刀具的種類、刀具的幾何形狀和尺寸等與刀具相關(guān)的信息需要預先被輸入到數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)中去[1-3],由于手動輸入的不穩(wěn)定性,對數(shù)據(jù)信息的輸入存在不容易糾錯的缺陷,進而會導致生產(chǎn)加工的錯誤,造成不可估量的損失。為了彌補人工輸入刀具信息容易出錯、不穩(wěn)定的問題,筆者采用基于射頻識別(RFID)的刀具識別系統(tǒng)來識別刀具的信息,很好地解決了這一問題[4]。

RFID是利用電磁波的反射能量進行通信的一種技術(shù)。無線射頻識別技術(shù)采用大規(guī)模集成電路計算、電子識別和計算機通信技術(shù),通過讀寫器和安裝于載體上的RFID標簽,能夠?qū)崿F(xiàn)對載體的非接觸識別和數(shù)據(jù)信息交換[5]。

由于RFID技術(shù)一產(chǎn)生就用于識別物體,因此在很多時候被認為是一種自動識別技術(shù),這種看法顯然是模糊和有局限性的。RFID可以歸入短距離無線通信技術(shù),與其他短距離無線通信技術(shù)無線局域網(wǎng)、藍牙、紅外、低功耗無線網(wǎng)上協(xié)議、超寬帶無線定位相比,最大的區(qū)別在于RFID是被動工作模式,即利用反射能量進行通信。

將RFID 技術(shù)應用到數(shù)控加工生產(chǎn)中的刀具管理和刀具識別過程中,可以提高刀具管理的自動化程度和管理效率,實現(xiàn)精確快速識別、跟蹤刀具,并將刀具信息反饋給IPC(進程間通信)的刀具管理系統(tǒng),執(zhí)行相應加工動作[6]。

將RFID成功應用到刀具識別和刀具管理中,首推德國的巴魯夫公司。自動處理刀具特定數(shù)據(jù)開啟了刀具管理的新境界。避免了人工輸入的錯誤,在裝載和卸載過程中,RFID可以連續(xù)記錄刀具信息并自動利用刀具。通過綁定在刀具上的RFID編碼塊,使刀具管理的各個模塊,如刀具測量(利用對刀儀)、刀具傳輸和刀具存儲、機床和刀具監(jiān)控,以及刀具修磨(如有必要),一直都處于整個生產(chǎn)過程的正確位置。通過這種方式,RFID確保機加工的高質(zhì)量和刀具的最優(yōu)利用,通過這種非接觸式的數(shù)據(jù)交流,創(chuàng)造最大價值。

2 西門子828D數(shù)控系統(tǒng)刀具管理功能

西門子828D數(shù)控系統(tǒng)的刀具管理功能在原來的840D標準的刀具管理功能基礎上作了簡化,但是保留了預置的刀具管理基本功能和可以選配的刀具管理高級功能兩個主要的功能選項。

2.1 刀具管理基本功能

828D刀具管理的基本功能集成了對刀具和刀具庫的一些基本管理功能,這些功能具體包括安裝刀具和卸載刀具、給每個刀具號定義特定的刀具邊沿號、輸入刀具補償值、找尋刀具和換刀指令等基本功能。

2.2 刀具管理高級功能

可選的高級功能包括刀具監(jiān)控功能和刀庫管理兩大功能。

刀具監(jiān)控功能有三種類型可供選擇:切削工件數(shù)監(jiān)控、刀具壽命(切削時間)監(jiān)控和刀具磨損量監(jiān)控。這三種類型通過系統(tǒng)變量MD$TC_TP9進行選擇,見表1。

表1 刀具監(jiān)控功能系統(tǒng)變量

如果一把刀具正在主軸上進行加工,而此時達到監(jiān)測極限,則它仍然會繼續(xù)使用,直到該次加工結(jié)束,而不會中斷加工進行換刀。只有到下次選中該刀具時,其狀態(tài)會變更為不可用,PLC(可編程序控制器)或NC(數(shù)控)系統(tǒng)會尋找備用刀具進行加工。當一把刀具的一個切削邊沿(最多有12個切削邊沿)達到壽命極限,則整個刀具的狀態(tài)變?yōu)椴豢捎谩４藭r在刀庫表的刀具狀態(tài)后會出現(xiàn)1個“G”。如果一把刀具的切削邊沿達到預警極限,則整個刀具的狀態(tài)變?yōu)椤斑_到預警極限”,在刀庫表的刀具狀態(tài)后會出現(xiàn)1個“V”,同時發(fā)出警報,提醒操作者準備替換刀具[7]。

刀庫管理功能指的是對刀庫刀位的優(yōu)化管理。這里所指的刀位包括空刀位、裝載了刀具的刀位以及大尺寸刀具所占用的相鄰刀位。刀庫管理功能的主要內(nèi)容包括刀具裝載、刀具卸載、刀具定位、尋刀、尋找刀位,以及換刀時的搜索策略的選擇等。

3 RFID的應用

筆者研究的主要目的是將RFID技術(shù)與西門子828D數(shù)控系統(tǒng)的刀具管理高級功能相結(jié)合,實現(xiàn)刀具數(shù)據(jù)的自動在線傳輸、儲備和監(jiān)測,避免數(shù)控機床操作人員手動向數(shù)控系統(tǒng)中輸入刀具信息時的不穩(wěn)定性對生產(chǎn)造成嚴重的影響和不必要的損失,為進一步實現(xiàn)全生產(chǎn)車間數(shù)字化管理奠定良好的基礎[8]。

3.1 828D刀具管理高級功能的激活

(1)人機界面的調(diào)整。對于828D的HMI(人機界面),不需要對刀庫管理進行特殊的設置,只要系統(tǒng)刀庫管理功能生效以后,系統(tǒng)會自動用帶刀庫管理功能的操作畫面來代替標準的刀具參數(shù)顯示畫面,在這個畫面里既能顯示刀庫里刀具的情況,也能顯示緩沖區(qū)里面的刀具情況,還可以選擇顯示所有的刀具列表,可以對刀具進行管理,比如裝載和卸載,是定點換刀還是隨機換刀,常規(guī)的刀具尺寸修改、刀具位置的重新分配等。

(2)數(shù)控核心的調(diào)整。西門子828D數(shù)控系統(tǒng)的刀具管理高級功能NCK(數(shù)控核心)是1個選項,因此需要事先激活該選項功能。由于刀具管理高級功能需要占用到一部分內(nèi)存,因此需要在系統(tǒng)里面預留相應的內(nèi)存,主要相關(guān)參數(shù)如下:

MD18080,系統(tǒng)刀庫管理參數(shù),對整個系統(tǒng)而言;

MD20310,通道刀庫管理參數(shù),僅對相應通道而言,一般設置成和MD18080一樣;

MD18082,系統(tǒng)管理的刀具數(shù),一般要大于實際的刀座數(shù);

MD18084,系統(tǒng)管理刀庫數(shù)量,要包含虛擬刀庫,所以至少為3;

MD18086,系統(tǒng)管理刀座數(shù)量,要包含虛擬刀座,不小于實際刀座數(shù)+5;

MD18100,系統(tǒng)管理的刀沿數(shù),一般要大于系統(tǒng)管理的刀具數(shù)。

以上參數(shù)的修改都會涉及到內(nèi)存的重新分配,所以修改后不要下電和 NCK復位,要立即做NC數(shù)據(jù)的備份,再回裝回來,這樣 NCK 的刀具管理高級功能就激活了。

3.2 刀庫的建立

通過以上參數(shù)的設定,系統(tǒng)只是為刀庫管理預留了相應的空間,但對于刀具的特征(比如刀庫的類型,實際刀庫的數(shù)量,虛擬刀庫的數(shù)量等),需要通過對刀具管理系統(tǒng)的變量來定義,系統(tǒng)可以通過傳輸一個刀庫定義來對系統(tǒng)變量賦值,也可以通過執(zhí)行一個子程序來對這些變量賦值,對于HMI_ADVACED軟件來說,可以啟動菜單里通過圖形交互形式生成一個刀庫配置文件,對PCU20手機而言,只能通過編輯器來編輯刀庫定義文件,里面主要包含以下信息:

$TC_MAP1[0]=0,刪除原來有關(guān)刀庫的數(shù)據(jù);

$TC_DP1[0,0]=0,刪除原來有關(guān)刀具的數(shù)據(jù);

$TC_MAP1[n],刀庫的類型,實際的刀庫類型一般有兩種,鏈式刀庫和車床用的刀塔;

$TC_MAP7[n],刀座的數(shù)量,n表示刀座號;

$TC_MAMP2,刀具和空刀座的搜索策略;

$TC_MAP3[1],實際刀庫狀態(tài),只有激活后該刀庫才能使用;

$TC_MP1[n,m]、$TC_MP2[n,m]、$TC_MP3[n,m]、$TC_MP4[n,m]、$TC_MP5[n,m],定義刀座狀態(tài);

$TC_MLSR[n,m],把緩存刀庫的刀座分配給相應的主軸;

$TC_MDP1[n,m]、$TC_MDP2[n,m],定義虛擬刀座和換刀點的偏置量,這個參數(shù)對裝卸刀具點才有用,對其他虛擬刀座來說,這個值為0。

當這些系統(tǒng)參數(shù)正確定義以后,在刀庫管理顯示畫面里就可以看見刀庫的情況了,可以依照操作說明書來建立新刀具。

3.3 PLC的調(diào)整

PLC要處理刀庫管理發(fā)送過來指令的應答信號,它必須知道有關(guān)刀庫的一些情況,根據(jù)這些情況生成相應的DB數(shù)據(jù)塊,在HMI_ADVACED里和配置刀庫管理的菜單里,有一個軟件能根據(jù)刀庫的具體配置文件生成相應的數(shù)據(jù)塊DB71-DB74,對PCU20而言,只能通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊DB4來生成。在DB4里面定義刀庫的特征,這些定義在OB100里面調(diào)用一次就行了,附件有一個常用刀庫的數(shù)據(jù)塊定義文件FC100,如果刀庫類型一致,調(diào)用時只要輸入相應的刀座數(shù)即可,主要參數(shù)如下:

DB4.DBW64,刀庫數(shù)量;

DB4.DBW65,刀庫號;

DB4.DBW67,刀庫類型;

DB4.DBW68,刀庫的刀座號;

DB4.DBW65到DB4.DBW68,要根據(jù)刀庫的數(shù)量挨個定義,包含虛擬刀庫;

DB4.DBWn,主軸數(shù)量n的數(shù)值為DB4.DBW64的值×5+65。

3.4 RFID芯片中存儲的刀具數(shù)據(jù)

在RFID芯片中存儲的信息通常包括刀具編碼、刀具狀態(tài)、刀具的刀號、刀具尺寸數(shù)據(jù)以及刀具壽命數(shù)據(jù)等。本項目選取的RFID芯片為巴魯夫公司生產(chǎn)的BIS C-128-11/L型編碼塊,其每個區(qū)可存儲32字節(jié)的數(shù)據(jù)。在本項目中,該芯片存儲的數(shù)據(jù)見表2。

表2 RFID芯片中存儲數(shù)據(jù)

3.5 讀寫RFID芯片中的數(shù)據(jù)

利用RFID讀寫器處理輸入的相對應命令,通過選定的讀寫探頭,可以讀寫RFID芯片中的數(shù)據(jù)信息。筆者選用的RFID讀寫器型號為巴魯夫公司生產(chǎn)的BIS C-625,通過RS232接口與數(shù)控系統(tǒng)進行通信。讀寫探頭型號為BIS C-325系列,該探頭的有效讀寫距離為0～3 mm[9]。

BIS C-625讀寫器所使用的命令均由1個頭命令所引導,與數(shù)據(jù)讀寫相關(guān)的頭命令參見表3。

表3 RFID讀寫器頭命令

下面以“C”命令為例,用以說明這些頭命令的具體使用方法。假設需要通過4號讀寫頭讀取1個大小為64字節(jié)的芯片中由第80個地址位開始的20字節(jié)的數(shù)據(jù),則需輸入以下命令:

C 0080 0020 40 J

其中,數(shù)字0080代表由第80個地址位開始讀取數(shù)據(jù),0020代表讀取數(shù)據(jù)的大小為20個字節(jié),4代表使用4號讀寫頭,最后一個數(shù)字0代表所讀取的芯片大小為64字節(jié),字母J代表的是該命令的BCC編碼值[10]。

3.6 基于RFID的刀具識別與管理系統(tǒng)實例

該刀具識別與管理系統(tǒng)的具體工作流程如圖1所示。

圖1 刀具識別與管理系統(tǒng)工作流程

使用刀具前,需先在對刀儀上進行對刀,將對刀儀輸出的刀補參數(shù)值和設定好的刀具壽命信息通過手持讀寫器寫入刀柄上的RFID芯片中。刀具裝載入數(shù)控機床時,點擊軟件界面中的“ReadFromChip”鍵,通過自動裝刀位或者手動裝刀處的讀寫頭,將RFID中的信息顯示在軟件界面的對應項目欄中,如圖2所示。如果信息輸入有錯誤,可以直接在軟件界面進行參數(shù)修改。修改完成確認無誤后,點擊“WriteToNCK”鍵,即可將這些信息寫入相對應的系統(tǒng)變量中。

圖2 軟件界面

當把每把刀的信息都輸入完畢后,即可進行加工工作。在零件的整個加工過程中,用西門子828D自帶的刀具管理功能模塊來實現(xiàn)選擇刀具、交換刀具和刀具狀態(tài)的在線監(jiān)控,按照加工的要求對刀具進行實時管理。在零件加工階段,刀具管理軟件持續(xù)掃描被PLC數(shù)據(jù)模塊管理的DB72中DBX0.0、DBX4.1和DBX4.2位值的時實變化,同時根據(jù)變化值進行自適應的讀寫管理操作,及時更新原來舊的刀具壽命參數(shù)信息。

4 結(jié)束語

將RFID無線射頻技術(shù)應用到西門子828D的刀具實時管理功能中,可以有效地降低人工的勞動強度和人工成本,對機床所屬刀具進行實時管理和識別,不僅提高了勞動生產(chǎn)率,減少了殘次品的出現(xiàn),同時還節(jié)約了生產(chǎn)成本,對生產(chǎn)企業(yè)的利潤有進一步地提升。

在上述前提下,該刀庫管理系統(tǒng)還可以更深一步優(yōu)化,比如創(chuàng)建一個刀庫數(shù)據(jù)庫,自動進行刀庫管理與維護;中央計算機對刀庫信息進行數(shù)據(jù)采集,實時更新刀具刀柄上的RFID芯片數(shù)據(jù)[11]。與此同時,還可以在生產(chǎn)全程的每一個環(huán)節(jié)上,追蹤每把刀具的使用信息情況?；谝陨系拇胧?對生產(chǎn)加工企業(yè)的生產(chǎn)效率和自動化水平將會是一個巨大的提高。