西門子840D刀庫管理功能在FMH800加工中心中的應用

摘 要：比較了兩種刀庫管理功能，介紹了西門子840D刀庫管理功能的優勢，闡述了使用西門子840D刀庫管理實現自動換刀功能的主要過程。調試完成之后，恢復了自動換刀功能，刀庫管理界面友好，刀庫系統運行正常，提高了換刀效率，縮短了整體加工時間，為正常生產提供了有效的保障。

關鍵詞：840D；刀庫管理；自動換刀

引言

友嘉臥式加工中心FMH800是江西洪都航空工業集團有限責任公司的重要設備，采用SINUMERIK 840D pl控制系統。機床僅配置了鏈式刀庫和機械手換刀裝置，刀庫容量60把，但機床并未配置自動換刀的NC/PLC控制程序，從該機床開始使用以來，一直使用手動換刀。在零部件的加工過程中需要多次手動更換刀具，從而導致換刀效率低下。為了提高換刀效率，縮短整體加工時間，我公司決定恢復其自動換刀功能。

1 自動換刀方案選擇

1.1 傳統刀庫管理功能

傳統刀庫管理功能（即用戶編寫的刀庫管理功能）可分為三部分：人機界面，備刀（刀庫的運動），換刀（機械手的運動）。

由于西門子840D系統具有良好的開放性，允許機床廠家將自己的專有技術加入到系統當中，并提供適合特殊應用的顯示界面、更方便的操作方式、更簡單的加工參數調整等功能，使其與標準系統無縫連接。

1.2 西門子840D的刀庫管理功能

西門子840D提供了標準的刀庫管理功能，相比于傳統的刀庫管理功能，除了具備傳統的刀庫管理功能外，還具有以下優點：

（1）刀庫管理適用范圍廣；（2）換刀靈活；（3）換刀過程透明；（4）實現刀具壽命監控；（5）刀庫配置容量大；（6）大小刀管理。

綜合比較兩個方案，文章決定使用西門子840D的標準刀庫管理功能來實現本機床的自動換刀功能。

2 刀庫機械手結構與數控系統配置

2.1 刀庫機械手結構

該機床刀庫采用帶機械手的鏈式單刀庫，可裝60把刀具。液壓馬達和雙速換向閥控制刀庫的高低速旋轉，機械手由液壓驅動。在刀庫側面配備有單獨的換刀機械手手動控制平臺。

2.2 刀庫特點

2.2.1 隨機換刀。由于換刀動作為互換型，沒有預抓刀動作，為了提高換刀速度，采用隨機換刀方式。

2.2.2 雙速旋轉。即高速找刀，低速定位。因為該刀庫容量較大，所以在找刀過程中要求刀庫以高速接近目標刀位，在達到目標刀位的前一刀位開始切換到低速以確保定位準確。

2.3 數控系統配置

該機床采用SINUMERIK 840D pl系統，NCU 573.5，PCU50.3，人機界面為HMI Advanced 7.6，驅動器采用SIMODRIVE 611D，進給軸電機為1FT6伺服電機，主軸電機為1PH7伺服電機。

3 基于西門子刀庫管理的自動換刀功能

要實現西門子840D的刀庫管理功能，需要根據實際要求配置刀庫管理相關的刀具數據，并在PCU50上配置刀庫，最后編寫PLC程序和NC的換刀子程序，實現NC-HMI-PLC相互關聯通訊，完成刀庫管理功能。

3.1 設置刀具管理相關數據

刀庫管理相關刀具數據設置如下：

MD 18080： MM_TOOL_MANAGEMENT_MASK=1H選擇激活刀庫管理的功能。

MD 18082： MM_NUM_TOOL=90刀具數量（注意不是刀庫刀位數量）。

MD 18084： MM_NUM_TOOL_MAGAZINE=3 定義刀庫數量，包括刀庫，緩沖區，裝載點，所以是3個。

MD 18086： MM_NUM_MAGAZINE_LOCATION=65 總的刀位數量，不僅包括實際刀庫刀位數，還包括緩沖區的刀位數。

MD 20310： TOOL_MANAGEMENT_MASK=1H 激活通道的刀庫管理功能。

MD 22550： TOOL_CHANGE_MOD=1換刀方式。

MD 22560： TOOL_CHANGE_M_MODE=206 激活刀具數據的M代碼。

3.2 PCU50.3 HMI界面刀庫配置

通過以上參數的設定，系統只為刀庫管理預留了相應的空間，但對于刀庫的特征需要通過對刀庫管理系統變量來定義，對于HMI Advanced界面來說，可以在啟動菜單中通過圖形交互形式生成一個刀庫的配置文件。

3.2.1 創建刀庫（刀庫類型和刀位數量）。

3.2.2 創建裝載點。已有一名為“Manual loading point”裝載點，為了與PLC 程序配合，需再創建一個裝載點。

3.2.3 創建刀位類型（采用默認的刀位類型）。

3.2.4 刀庫刀位分配。

3.2.5 生成刀庫。完成刀庫基本配置后，在Parameter中的第一個軟鍵變為“Magazine list”。

3.2.6 機床刀庫管理配置。本機床刀庫管理配置包括3個刀庫。（1）1個真實的刀庫（刀庫1）；（2）緩沖區刀庫（刀庫號9998）。緩沖區刀庫中包含主軸、機械手等刀具暫時保存區域。其中主軸與通道的主軸關聯，實現刀具補償、壽命監控等刀具功能。（3）裝載站刀庫（刀庫號9999）裝載站刀庫用于真實刀庫中保存的刀具的裝載和卸載。裝載點1位于主軸側。裝載點2位于刀庫側。

3.3 換刀過程及PLC接口信號應答

對于傳統的刀庫管理和西門子標準的刀庫管理功能來說，PLC控制的換刀動作是完全一樣的，不同之處在于刀具管理的PLC數據接口，刀具管理的操作信息通過數據接口傳遞到PLC，PLC通過數據接口響應刀具管理的請求。

刀庫管理數據交換，是在換刀過程中NC與PLC是協同完成的，NC發出的每個指令都需要PLC做相應的應答，否則將出錯，因此此種數據交換方式叫“同步數據交換”。

而當刀具交換因故障中斷，需要在手動恢復過程中同時對刀庫管理系統進行數據刷新，PLC需要用“異步數據傳輸”方式完成，即完全由PLC完成，僅通知刀庫管理刷新數據。

PLC按以下步驟響應：（1）首先判斷哪個接口信號有請求。（2）在根據接口信號提供的數據作相應的動作。（3）等待動作完成。（4）通過FC6/8響應NC，告訴NC我已完成，請繼續。

由于該機床是隨機換刀，因此數據塊DB72中給出的新刀刀庫號/刀位號和舊刀刀庫號/刀位號是一致的。

3.4 換刀子程序

M06為換刀指令，數控系統會自動調用換刀子程序。換刀子程序中包括換刀條件判斷，程序模擬處理，程序測試處理，程序段搜索處理，相關坐標軸走到固定位置，主軸定位，以及調用換刀動作的M206指令等。

4 結束語

在恢復友嘉臥式加工中心FMH800自動換刀功能過程中，通過對兩種刀庫管理功能方法的對比，選用了功能更為強大西門子840D標準的刀庫管理功能，在不改變機床原有軟硬件配置的基礎上，充分發揮了其優勢。調試完成之后，刀庫管理界面友好，刀庫運轉正常，提高了換刀效率，縮短了整體加工時間，為正常生產提供了有效的保障，同時為后續此類機床的改造調試積累了寶貴的經驗。

參考文獻

[1]張泰華.西門子數控810D/840D的刀具管理功能[J].制造技術與機床，2005.

作者簡介：李堯（1988，03-），男，學士，工程師，從事機械加工技術工作。