1 機床結構（gòu）概述

      VMC0656e 是沈（shěn）陽機床股份有限公司2010 年開發的一款門式（shì）五軸（zhóu）加工中心，該機床采用龍門動橫梁式結構，直線軸X、Y、Z 采用電機直連，A、C 軸耳擺式工作台（tái）。根（gēn）據用戶要求可以選配SIMENS －840D 係統，FANUC － 31i 係統（tǒng）同時也（yě）可選擇國產數（shù）控係統。

      2 刀庫工作原理（lǐ）

      VMC0656e 配備台灣基輔生產的LC0140 －020SZ101 － 02 型刀庫( 符（fú）合ISO － 9001) ，最大容（róng）量20 把，單把刀具要（yào）求滿刀時最大半徑75mm，最大長度250mm，最大重量8kg。刀庫外形為跑道型並采用鏈子將各個刀套聯結在一起，刀庫的回轉運動由帶抱閘的（de）三相異步電機作動力源，三相電源（yuán）通過交流（liú）接觸器提供給電機時抱閘自動打開，然後刀庫進行旋轉，切斷電源則（zé）抱閘閉鎖，刀（dāo）庫立刻（kè）停止運動（dòng）。刀庫中刀套按照（zhào）T 代碼的指令運轉到換刀位置，進行刀具交換。在機床（chuáng）工作過程中刀具按著指令（lìng）由主軸直接抓（zhuā）取。實（shí）際上述條（tiáo）件除了刀具安裝尺寸（cùn）等機械方麵達到要求外，尤為重要的是數控（kòng）係統如何保證機床換刀（dāo）過程的完成。

      3 換刀過程及對電氣係統的要（yào）求

      由（yóu）於VMC0656e 為緊湊型高速加工中心，在設計初期為了進一步（bù）提高其加（jiā）工效率，我們決定采用（yòng）無（wú）機械手換刀方式，這種方式（shì）更為簡（jiǎn）單而且快速，在機床工作結束（shù）時，由主軸將刀具直接插回刀套，然後進行（háng）選刀，再由主（zhǔ）軸直接抓刀繼續工作。在基輔LC0140 － 020SZ101 － 02 型刀庫中提供了刀庫換刀的時序圖，如圖1 所（suǒ）示，電氣動作時序（xù）圖說明:

      1) 選（xuǎn）刀啟動( 為正、反轉就（jiù）近選刀啟動) ;

      2) 計數及定位信號( 使電機（jī）定位停止) ;

      3) 刀鏈定位銷伸出和縮回( 當刀鏈停止轉動（dòng）時伸出，當刀鏈旋轉時縮回) ;

      4) 刀庫伸出和縮回( 當選刀過程結束控製刀庫伸出和縮回) 。

      4 自動換刀過程的實現

      4. 1 西（xī）門子刀具管理原理簡述

      為了達（dá）到一次裝夾實現多工序加工的（de）目的，現在的數控機床大部份（fèn）配備了交換刀具係統，這（zhè）樣，數（shù）控係（xì）統（tǒng）需（xū）要知道這些刀具的幾何尺寸，還有刀具在刀庫裏的具體（tǐ）位置。為（wéi）了適應工（gōng）廠自動化生產的更高要求，有時還需要對刀具的加工時間或者是加工件（jiàn）數進行監控，當達到刀具（jù）的（de）加（jiā）工壽命時，係統會提（tí）示操作者更（gèng）換刀具，避免因為刀具的磨損而造成批量廢品。在自動化程度（dù）更高的機床上，還可（kě）以為一些刀具配備一把（bǎ）或幾把類（lèi）似（sì）的刀具，叫做姊妹（mèi）刀（dāo），當某把刀具達到加工壽命時，係統會自動挑選它的姊妹刀來代替，這樣能保證加工的（de）連續運行，上述這些（xiē）功能統稱為刀庫管理功能，西門子840D 係統可以選配刀庫管理功能。

      在沒有刀庫管理功能時，係統隻（zhī）是管理刀具數據，主（zhǔ）要是刀具的幾何尺寸，當需（xū）要交換刀具時，係統會通過通道的接口信號通知PLC 需要更換（huàn）的新刀具號，PLC 控製刀具換刀動作，當動作完成後，通知NC。具體接口信號如下:

      DB21. DBX61. 0T 碼改變，當NC 遇到一個新的T 指令時，該信號有效（xiào），信號隻持續一個PLC 周期; DB21. DBW118T 碼的值，也就是要交（jiāo）換的新刀號的值，該信號在新的刀號來之前一直有效。

      4. 2 HMI 的調整

      對於HMI 來說，不需要對刀庫管理（lǐ）進行特殊的設置，隻要係統刀庫管理功能生效以後，係統會自動用帶刀庫管理（lǐ）功能的操作畫麵來代替標準的刀（dāo）具參（cān）數顯示畫麵，在這（zhè）個畫麵裏既能顯示刀庫（kù）裏刀具的情況，也能顯示緩衝區裏麵的刀具情況，還可以選擇顯示所有（yǒu）的刀具列（liè）表，對刀（dāo）具進行管理，比如裝載（zǎi）和卸載，是定點換刀（dāo）還是隨機換刀，常（cháng）規的刀（dāo）沿尺寸修改，刀具（jù）位置的重新（xīn）分配等。

      4. 3 NCK 的調（diào）整

      西門子－ 840D 數控係統的刀庫管理是一個選項，需要激活該選項功能。由於刀庫管理需要占用一些內存，需要在係統裏麵（miàn）預留相應（yīng）的內存，主（zhǔ）要相關參數如下:

      MD18080 係統刀庫管理參數（shù），對整（zhěng）個係（xì）統而（ér）言;

      MD20310 通道刀庫管理參數，僅對相應通道而言，一般設置成和（hé）MD18080 一樣其中比較重要的設置位: Bit 0 刀庫管理功能是（shì）否有效; Bit 1 刀（dāo）具監控功能是否有效（xiào）; Bit 3 是否考慮鄰近（jìn）刀座; Bit 4 PLC是否能（néng）要求新的（de）修改參數後的預選刀具指令一般的刀庫管理功能，這四位都（dōu）需要（yào）置上，所（suǒ）以至少為BH;

      MD18084 係統管理刀庫數量，要包含虛（xū）擬刀庫，所以至少為3;

      MD18086 係統管理刀座數量，要包含（hán）虛擬刀座，＞ = 實際刀座數（shù）+ 5;

      MD18082 係統管理的刀具數，一般要大於實際的刀座數;

      MD18100 係統管理的（de）刀沿數，一般要大於係統管（guǎn）理的刀具數。

      以上（shàng）參數的修改都會涉及（jí）到內（nèi）存的（de）重新（xīn）分配，所以修改後（hòu）要立即( 不要（yào）下電和NCK 複位) 做一個（gè）NC 數據（jù）的備份，再回裝回來，這樣NCK 的（de）刀庫管理功能就急活了。

      刀庫的建（jiàn）立，通過以上（shàng）參數的設定，係（xì）統隻是為刀庫管（guǎn）理預留了相應的空間，但對於刀庫的特征（zhēng） ( 比如刀庫的類型，實際刀座的數量，虛擬刀座的數量等) 需要通過（guò）對刀庫管理係統變量來定義，係統可以通過（guò）傳（chuán）輸一個刀庫定（dìng）義文件來對係（xì）統變量賦值，也可以通過（guò）執行一個子程序來對這些（xiē）變量賦值，對（duì）於HMI_ADVACED 來（lái）說，可以在啟動菜單裏（lǐ）通過圖形交互形式生（shēng）成一個（gè）刀庫的配置文件，對PCU20而言，隻能通過編輯器來（lái）編輯刀庫定義文件，附件裏有一個刀庫定義文件，裏（lǐ）麵主要包含以（yǐ）下幾個信息: $ TC_MAP1［0］= 0 刪除原來有關刀（dāo）庫（kù）的（de）數據（jù）;

      $ TC_DP1［0，0］= 0 刪除原有刀具數據;

      $ TC_MAP1［n］刀庫（kù）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］刀座的數量（liàng）n 表示刀庫號;

      $ TC_MAMP2 刀具和空刀座（zuò）搜索策略;

      $ TC_MAP3［1］實際刀庫（kù）狀（zhuàng）態，隻有激活後該（gāi）刀庫才（cái）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; $ TC_MLSR［n，m］把緩存刀庫的刀座分配給相應（yīng）的主軸;

      $ TC_MDP1［n，m］、$ TC_MDP2［n，m］定義虛擬刀座和換刀點（diǎn）的偏置量，這個參數對裝（zhuāng）/卸刀具點才有用，對其他虛擬刀座（zuò）來說，這個（gè）值為0。當這些係統參數正（zhèng）確（què）定義以後，在刀庫管理（lǐ）顯示畫麵裏就可以看見刀（dāo）庫的情況了，可以依照（zhào）操作說明書來建立新刀具。

      4. 4 PLC 的調整

      PLC 主要要處理刀（dāo）庫管理發送過來指令的應答信（xìn）號，PLC 必須知道有關刀庫的一些情況，根（gēn）據這些情況生成相應的DB 數據（jù）塊，在HMI_ADVANCED裏，配（pèi）置刀庫（kù）管理（lǐ）的菜單裏，有一個軟鍵能根（gēn）據（jù）刀庫的具體配置文件生成相應（yīng）的數據塊DB71 － DB74，對PCU20 而言，隻能通過係統數據塊DB4 來生成。在DB4 裏麵定義刀庫的特征，這些定義在OB100 裏麵調用一次就行了，附件有一個常用刀庫的（de）數據塊定義文件FC100，如果刀庫類型一樣，調用時隻要輸入（rù）相應的刀座數即可。下麵是幾個常用的地址:

      DB4. DBW64 刀庫數量;

      DB4. DBW65 刀庫（kù）號;

      DB4. DBW67 刀庫（kù）類（lèi）型（xíng）;

      DB4. DBW68 刀庫的（de）刀座數;

      DB4. DBW65 到DB4. DBW68 要根據刀庫的數量挨個定義，包含虛（xū）擬刀庫;

      DB4. DBBn 主軸數量n 的數值為DB4. DBW64的值（zhí）* 5 + 65。

      在刀庫管理中，刀具交換時要等（děng）待PLC 的刀具準備應答信號，由於刀庫管理需要知道刀（dāo）具（jù）離（lí）開刀庫後的臨時存放（fàng）位置，比如是在主（zhǔ）軸上還是在機（jī）械手上，刀具準備和刀具交換是否完成，這些都需要PLC 來應答（dá），PLC 是通過調用（yòng）FC8 來應答刀具管理。

      PLC 編程（chéng）思路:

      CALL " TM_TRANS" / /調用FC8 時（shí）需要提（tí）供這幾個參數Start : = #Start / /啟動信號，當該信（xìn）號（hào）為1 時，係統調用FC8TaskIdent : = #TaskIdent / /任務索引（yǐn）號，指要交換刀具的主軸號，一般為1

      TaskIdentNo: = #TaskIdentNo / /任務號，刀具準備和刀具交換任務號是（shì）2

      NewToolMag : = #NewToolMag / /新刀具現在位置的刀庫號

      NewToolLoc : = #NewToolLoc / /新刀（dāo）具現在位置的（de）刀庫號

      OldToolMag : = #OldToolMag / /舊刀具所在位置的刀庫號

      OldToolLoc : = #OldToolLoc / /舊刀具所在的位置的（de）刀座號

      Status : = #Status / /執行該指令時的狀態（tài）字Ready : = #Ready / /FC8 是否完整執（zhí）行Error : = #Error / /指令執行（háng）時是（shì）否有錯誤有（yǒu）時一個換刀過程（chéng）需要刀具經（jīng）過幾個過渡狀態才能完成，這時（shí）候常（cháng）需要多次調用FC8 來及時更新刀具的位置信息。

      綜上，數控機（jī）床（chuáng）刀庫管理係統可（kě）以方便生產並、且提高工作效率，而（ér）且還能提高數控機（jī）床的穩（wěn）定性。