基于RFID技術(shù)的西門子840D刀具管理的研究及應(yīng)用

吳雨杰 樊留群 苗 壯 蔣帆宇

（①同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院，上海 200092;②沈陽機(jī)床集團(tuán)有限公司，遼寧沈陽 110142）

基于RFID技術(shù)的西門子840D刀具管理的研究及應(yīng)用

吳雨杰①樊留群①苗 壯②蔣帆宇①

（①同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院，上海 200092;②沈陽機(jī)床集團(tuán)有限公司，遼寧沈陽 110142）

隨著加工自動化的提高，數(shù)控機(jī)床刀具管理的自動化成為運(yùn)行生產(chǎn)可靠的重要保證。文章簡要介紹了無線射頻技術(shù)的發(fā)展及在刀具管理中的應(yīng)用，通過對西門子840D數(shù)控系統(tǒng)的刀具管理功能的研究，使RFID技術(shù)與840D刀具管理功能相結(jié)合，給出了可實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線。

刀具管理 無線射頻 840D

隨著加工中心在機(jī)械制造行業(yè)的大規(guī)模應(yīng)用，人們逐漸認(rèn)識到一個智能、高效、便捷的刀具管理功能可以顯著地節(jié)約生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。然而，用以保證刀具安全有效運(yùn)行的數(shù)據(jù)信息，如刀具幾何尺寸、刀具壽命信息、刀具磨損信息等仍然需要事先通過操作員手動輸入到數(shù)控系統(tǒng)中。這些手工數(shù)據(jù)輸入的工作不但大大降低了生產(chǎn)線的自動化程度，而且一旦輸入錯誤，不容易被察覺且損失巨大。而基于無線射頻技術(shù)（RFID）的刀具識別系統(tǒng)能很好地解決這個問題。

RFID是Radio Frequency Identification的縮寫，即射頻識別技術(shù)，是自動識別技術(shù)的一種，利用無線射頻方式在閱讀器和應(yīng)答器之間進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)傳輸，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識別和數(shù)據(jù)交換的目的［1］。

射頻識別技術(shù)相對于其他自動識別技術(shù)具有許多突出的優(yōu)點(diǎn)：RFID技術(shù)不需要直接接觸、工作距離長、適用于惡劣環(huán)境、可識別運(yùn)動目標(biāo)并可同時識別多個標(biāo)簽、操作快捷便利、裝載信息量大、壽命長等［2］。將RFID技術(shù)應(yīng)用到數(shù)控加工生產(chǎn)的刀具管理中，可以提高刀具管理的自動化程度和管理效率，實(shí)現(xiàn)精確快速識別、跟蹤刀具，并將刀具信息反饋給IPC的刀具管理系統(tǒng)，執(zhí)行相應(yīng)加工動作［3］。

在將RFID與刀具管理系統(tǒng)相結(jié)合方面，德國的Balluff公司是走在世界前列的。Balluff公司推出的基于FANUC系統(tǒng)的miLink Tool ID系統(tǒng)可以方便地進(jìn)入CNC控制器和自動跟蹤刀具信息。通過FANUC miLink界面和Balluff刀具識別系統(tǒng)可以取得大量的CNC數(shù)據(jù)，如刀具壽命、刀具識別管理、刀具幾何偏置量、刀具磨損補(bǔ)償量以及宏變量等［4］。

1 西門子840D數(shù)控系統(tǒng)刀具管理功能簡介

西門子840D數(shù)控系統(tǒng)的刀具管理功能包括預(yù)置的刀具管理基本功能和可選配的刀具管理高級功能。

1.1 刀具管理基本功能

刀具管理基本功能集成了對刀具和刀具庫的一些基本管理功能。這些功能包括裝載和卸載刀具、給每個T號定義特定的刀具邊沿號（最大不能超過12）、輸入刀具補(bǔ)償值、執(zhí)行尋刀和換刀指令等。

1.2 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3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3種類型通過系統(tǒng)變量MD$TC_TP9進(jìn)行選擇，如表1所示。

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(jìn)行加工，而此時達(dá)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(jìn)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或NC系統(tǒng)會尋找備用刀具進(jìn)行加工。當(dāng)一把刀具的一個切削邊沿（最多有12個切削邊沿）達(dá)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(dá)到預(yù)警極限，則整個刀具的狀態(tài)變?yōu)椤斑_(dá)到預(yù)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(zhǔn)備替換刀具。

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［1］。

2 RFID技術(shù)與840D刀具管理功能的結(jié)合

本項(xiàng)目研究的目的在于將RFID技術(shù)與西門子840D數(shù)控系統(tǒng)的刀具管理高級功能相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)在線刀具數(shù)據(jù)傳輸、管理和監(jiān)控。避免操作人員手動處理大量數(shù)據(jù)信息時疏忽錯漏而對生產(chǎn)造成不必要的時間和金錢上的損失。為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)全生產(chǎn)車間的刀具網(wǎng)絡(luò)化管理打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.1 激活840D刀具管理高級功能

西門子840D數(shù)控系統(tǒng)的刀具管理高級功能是1個選項(xiàng)，因此需要事先激活該選項(xiàng)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(yù)留相應(yīng)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(yīng)通道而言，一般設(shè)置成和MD18080一樣;

MD18082 系統(tǒng)管理的刀具數(shù)，一般要大于實(shí)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，至少為實(shí)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，所以修改后要立即（不要下電和NCK復(fù)位）做1個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。

2.2 刀庫的建立和PLC的調(diào)整

通過上述參數(shù)的設(shè)定，系統(tǒng)只是為刀具管理高級功能預(yù)留了相應(yīng)的空間，但對于刀庫的特征（比如刀庫的類型，實(shí)際刀座的數(shù)量，虛擬刀座的數(shù)量等）需要通過對刀庫管理系統(tǒng)變量來定義。一般來說需要對如下參數(shù)進(jìn)行編輯：

$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(shí)際的刀庫類型一般有兩種，鏈?zhǔn)降稁旌蛙嚧灿玫牡端?/p>

$TC_MAP7［n］，刀座的數(shù)量，n表示刀庫號。

$TC_MAMP2，刀具和空刀座的搜索策略。

$TC_MAP3［1］，實(shí)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］和$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(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(shù)對裝卸刀具點(diǎn)才有用，對其他虛擬刀座來說，這個值為0。

當(dāng)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。

PLC主要處理刀具管理功能發(fā)送過來指令的應(yīng)答信號，PLC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(yīng)的DB數(shù)據(jù)塊。在HMI_ADVANCED里，配置刀庫管理的菜單里，有一個軟鍵能根據(jù)刀庫的具體配置文件生成相應(yīng)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［1］。

2.3 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T號、刀具尺寸數(shù)據(jù)以及刀具壽命數(shù)據(jù)等。本項(xiàng)目選取的RFID芯片為BALLUFF公司生產(chǎn)的BIS C－122－04/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(xiàng)目中，該芯片存儲的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 RFID芯片中存儲的數(shù)據(jù)

2.4 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(yīng)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。本項(xiàng)目選用的RFID讀寫器型號為BALLUFF公司生產(chǎn)的BIS－C－600，通過RS232接口與數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行通訊;讀寫探頭型號為BIS－C－300系列，該探頭的有效讀寫距離為0～3 mm。

BIS－C－600讀寫器所使用的命令均由1個頭命令所引導(dǎo)。與數(shù)據(jù)讀寫相關(guān)的頭命令參見表3。

表3 RFID讀寫器的頭命令

下面以“L”命令為例，說明這些頭命令的具體使用方法。假設(shè)需要通過2號讀寫頭讀取1個大小為64字節(jié)的芯片中由第50個地址位開始的10字節(jié)的數(shù)據(jù)，則需輸入以下命令：

＇L 0050 0010 20 J＇

其中，數(shù)字0050代表由第50個地址位開始讀取數(shù)據(jù);0010代表讀取數(shù)據(jù)的大小為10個字節(jié);2代表使用2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［6］。

2.5 基于RFID技術(shù)的刀具識別與管理系統(tǒng)實(shí)例

該刀具識別與管理系統(tǒng)的具體工作流程如圖1所示。

使用刀具前，需先在對刀儀上進(jìn)行對刀，將對刀儀輸出的刀補(bǔ)參數(shù)值和設(shè)定好的刀具壽命信息通過手持讀寫器寫入刀具RFID芯片中。刀具裝載入數(shù)控機(jī)床時，點(diǎn)擊軟件中的“ReadFromChip”鍵，通過自動裝刀位或者手動裝刀位處的讀寫頭，將RFID中的信息顯示在軟件屏幕的對應(yīng)項(xiàng)目欄中，如圖2所示。如若信息有錯誤，可以直接在軟件界面中進(jìn)行修改。修改完成確認(rèn)無誤后，點(diǎn)擊“WriteToNCK”鍵，即可將這些信息寫入相對應(yīng)的系統(tǒng)變量中。

表4 控制換刀的PLC狀態(tài)與對應(yīng)的RFID讀寫操作

當(dāng)每把刀具的信息都輸入完畢后，即可進(jìn)行加工工作。加工時的選刀、換刀、刀具監(jiān)控等工作均由840D數(shù)控系統(tǒng)自帶的刀具管理高級功能來實(shí)現(xiàn)。在加工過程中，軟件持續(xù)掃描 PLC數(shù)據(jù)塊 DB72中DBX0.0、DBX4.2 和 DBX4.1 三個位的值變化情況，根據(jù)其值的變化自動進(jìn)行相對應(yīng)的讀寫操作，更新所用刀具的實(shí)時壽命信息。具體如表4所述。

3 結(jié)語

綜上所述，將RFID技術(shù)與西門子840D刀具管理功能相結(jié)合，可以有效地進(jìn)行刀具自動識別和管理，極大地提升了生產(chǎn)效率、降低了次品率、節(jié)約了生產(chǎn)成本、提高了生產(chǎn)企業(yè)的利潤。在本文的基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)還可進(jìn)一步完善，例如可建立一個刀具數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行庫存管理;通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)維護(hù)，自動更新需使用刀具的RFID芯片數(shù)據(jù);并可在全生產(chǎn)線上跟蹤每把刀具的具體使用情況等。通過這些措施，必將會進(jìn)一步提高企業(yè)的生產(chǎn)自動化水平。

［1］周曉光，王曉華.射頻識別（RFID）技術(shù)原理與應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：人民郵電出版社，2006.

［2］陳冬萍.射頻識別技術(shù)（RFID）應(yīng)用研究［D］.上海：華東師范大學(xué)，2006.

［3］吳寧，王建華，李富平，等.數(shù)控加工中刀具射頻識別技術(shù)的實(shí)現(xiàn)［J］.控制與檢測，2005（5）.

［4］Claire Swedberg.Fanuc，Balluff add rfid machine － tool controllers［Z］.RFID Journal，2010（2）.

［5］SIEMENS.SINUMERIK 840D/840Di/810D tool management description of functions［Z］.Version：09.05，2005.

［6］BALLUFF.Electronic identification systems bis processor BIS C －6_0 RS 232［Z］.

（編輯 李 靜）

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Research and application of Siemens 840D tool management based on RFID

WU Yujie①，F(xiàn)AN Liuqun①，MIAO Zhuang②，JIANG Fanyu①
（①Sino－German College，Tongji University，Shanghai 200092，CHN;②SMTCL，Shenyang 110142，CHN）

With the processing automation level being greatly enhanced，CNC tool management now plays a vital role in ensuring production reliability.This paper is a brief introduction on the development of RFID and its applications in tool management，illustrating a research project on Siemens 840D tool management which integrated RFID technology and 840D tool management.Technological solutions are also elucidated in this paper.

Tool Management;RFID;840D

TP23

B

2011－04－02）

110740