郭 課,陳文亮

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

1 研究背景

數(shù)控機(jī)床的刀具管理功能對提升數(shù)控機(jī)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(gè)便捷、高效、準(zhǔn)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(yù)先被輸入到數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)中去[1-3],由于手動(dòng)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(cuò)的缺陷,進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)加工的錯(cuò)誤,造成不可估量的損失。為了彌補(bǔ)人工輸入刀具信息容易出錯(cuò)、不穩(wěn)定的問題,筆者采用基于射頻識(shí)別(RFID)的刀具識(shí)別系統(tǒng)來識(shí)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(jìn)行通信的一種技術(shù)。無線射頻識(shí)別技術(shù)采用大規(guī)模集成電路計(jì)算、電子識(shí)別和計(jì)算機(jī)通信技術(shù),通過讀寫器和安裝于載體上的RFID標(biāo)簽,能夠?qū)崿F(xiàn)對載體的非接觸識(shí)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(shí)別物體,因此在很多時(shí)候被認(rèn)為是一種自動(dòng)識(shí)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(lán)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(dòng)工作模式,即利用反射能量進(jìn)行通信。

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

將RFID成功應(yīng)用到刀具識(shí)別和刀具管理中,首推德國的巴魯夫公司。自動(dòng)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(cuò)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(dòng)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(gè)模塊,如刀具測量(利用對刀儀)、刀具傳輸和刀具存儲(chǔ)、機(jī)床和刀具監(jiān)控,以及刀具修磨(如有必要),一直都處于整個(gè)生產(chǎn)過程的正確位置。通過這種方式,RFID確保機(jī)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(jià)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(biāo)準(zhǔn)的刀具管理功能基礎(chǔ)上作了簡化,但是保留了預(yù)置的刀具管理基本功能和可以選配的刀具管理高級(jí)功能兩個(gè)主要的功能選項(xiàng)。

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(gè)刀具號(hào)定義特定的刀具邊沿號(hào)、輸入刀具補(bǔ)償值、找尋刀具和換刀指令等基本功能。

2.2 刀具管理高級(jí)功能

可選的高級(jí)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(shí)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(jìn)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(jìn)行加工,而此時(shí)達(dá)到監(jiān)測極限,則它仍然會(huì)繼續(xù)使用,直到該次加工結(jié)束,而不會(huì)中斷加工進(jìn)行換刀。只有到下次選中該刀具時(shí),其狀態(tài)會(huì)變更為不可用,PLC(可編程序控制器)或NC(數(shù)控)系統(tǒng)會(huì)尋找備用刀具進(jìn)行加工。當(dāng)一把刀具的一個(gè)切削邊沿(最多有12個(gè)切削邊沿)達(dá)到壽命極限,則整個(gè)刀具的狀態(tài)變?yōu)椴豢捎谩４藭r(shí)在刀庫表的刀具狀態(tài)后會(huì)出現(xiàn)1個(gè)“G”。如果一把刀具的切削邊沿達(dá)到預(yù)警極限,則整個(gè)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(huì)出現(xiàn)1個(gè)“V”,同時(shí)發(fā)出警報(bào),提醒操作者準(zhǔn)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(shí)的搜索策略的選擇等。

3 RFID的應(yīng)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(jí)功能相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)刀具數(shù)據(jù)的自動(dòng)在線傳輸、儲(chǔ)備和監(jiān)測,避免數(shù)控機(jī)床操作人員手動(dòng)向數(shù)控系統(tǒng)中輸入刀具信息時(shí)的不穩(wěn)定性對生產(chǎn)造成嚴(yán)重的影響和不必要的損失,為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)全生產(chǎn)車間數(shù)字化管理奠定良好的基礎(chǔ)[8]。

3.1 828D刀具管理高級(jí)功能的激活

(1)人機(jī)界面的調(diào)整。對于828D的HMI(人機(jī)界面),不需要對刀庫管理進(jìn)行特殊的設(shè)置,只要系統(tǒng)刀庫管理功能生效以后,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)用帶刀庫管理功能的操作畫面來代替標(biāo)準(zhǔn)的刀具參數(shù)顯示畫面,在這個(gè)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(jìn)行管理,比如裝載和卸載,是定點(diǎn)換刀還是隨機(jī)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(jí)功能NCK(數(shù)控核心)是1個(gè)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(jí)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(gè)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,不小于實(shí)際刀座數(shù)+5;

MD18100,系統(tǒng)管理的刀沿?cái)?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(huì)涉及到內(nèi)存的重新分配,所以修改后不要下電和 NCK復(fù)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(jí)功能就激活了。

3.2 刀庫的建立

通過以上參數(shù)的設(shè)定,系統(tǒng)只是為刀庫管理預(yù)留了相應(yīng)的空間,但對于刀具的特征(比如刀庫的類型,實(shí)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(gè)刀庫定義來對系統(tǒng)變量賦值,也可以通過執(zhí)行一個(gè)子程序來對這些變量賦值,對于HMI_ADVACED軟件來說,可以啟動(dòng)菜單里通過圖形交互形式生成一個(gè)刀庫配置文件,對PCU20手機(jī)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(shí)際的刀庫類型一般有兩種,鏈?zhǔn)降稁旌蛙嚧灿玫牡端?

$TC_MAP7[n],刀座的數(shù)量,n表示刀座號(hào);

$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]、$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(gè)參數(shù)對裝卸刀具點(diǎn)才有用,對其他虛擬刀座來說,這個(gè)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。

3.3 PLC的調(diào)整

PLC要處理刀庫管理發(fā)送過來指令的應(yīng)答信號(hào),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(yīng)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(gè)軟件能根據(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。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(gè)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(shí)只要輸入相應(yīng)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(hào);

DB4.DBW67,刀庫類型;

DB4.DBW68,刀庫的刀座號(hào);

DB4.DBW65到DB4.DBW68,要根據(jù)刀庫的數(shù)量挨個(gè)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(chǔ)的刀具數(shù)據(jù)

在RFID芯片中存儲(chǔ)的信息通常包括刀具編碼、刀具狀態(tài)、刀具的刀號(hào)、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芯片為巴魯夫公司生產(chǎn)的BIS C-128-11/L型編碼塊,其每個(gè)區(qū)可存儲(chǔ)32字節(jié)的數(shù)據(jù)。在本項(xiàng)目中,該芯片存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)見表2。

表2 RFID芯片中存儲(chǔ)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(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。筆者選用的RFID讀寫器型號(hào)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(jìn)行通信。讀寫探頭型號(hào)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(gè)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(shè)需要通過4號(hào)讀寫頭讀取1個(gè)大小為64字節(jié)的芯片中由第80個(gè)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(gè)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(gè)字節(jié),4代表使用4號(hào)讀寫頭,最后一個(gè)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(shí)別與管理系統(tǒng)實(shí)例

該刀具識(shí)別與管理系統(tǒng)的具體工作流程如圖1所示。

圖1 刀具識(shí)別與管理系統(tǒng)工作流程

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柄上的RFID芯片中。刀具裝載入數(shù)控機(jī)床時(shí),點(diǎn)擊軟件界面中的“ReadFromChip”鍵,通過自動(dòng)裝刀位或者手動(dòng)裝刀處的讀寫頭,將RFID中的信息顯示在軟件界面的對應(yīng)項(xiàng)目欄中,如圖2所示。如果信息輸入有錯(cuò)誤,可以直接在軟件界面進(jìn)行參數(shù)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。

圖2 軟件界面

當(dāng)把每把刀的信息都輸入完畢后,即可進(jìn)行加工工作。在零件的整個(gè)加工過程中,用西門子828D自帶的刀具管理功能模塊來實(shí)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(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)實(shí)變化,同時(shí)根據(jù)變化值進(jìn)行自適應(yīng)的讀寫管理操作,及時(shí)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(yīng)用到西門子828D的刀具實(shí)時(shí)管理功能中,可以有效地降低人工的勞動(dòng)強(qiáng)度和人工成本,對機(jī)床所屬刀具進(jìn)行實(shí)時(shí)管理和識(shí)別,不僅提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率,減少了殘次品的出現(xiàn),同時(shí)還節(jié)約了生產(chǎn)成本,對生產(chǎn)企業(yè)的利潤有進(jìn)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(gè)刀庫數(shù)據(jù)庫,自動(dòng)進(jìn)行刀庫管理與維護(hù);中央計(jì)算機(jī)對刀庫信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,實(shí)時(shí)更新刀具刀柄上的RFID芯片數(shù)據(jù)[11]。與此同時(shí),還可以在生產(chǎn)全程的每一個(gè)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(dòng)化水平將會(huì)是一個(gè)巨大的提高。