趙國強

（山東科技職業(yè)學(xué)院機械工程系，山東 濰坊 261053）

伴隨激烈的市場競爭和日益增長的客戶個性化產(chǎn)品定制需求，制造業(yè)生產(chǎn)模式已由大批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)向多品種小批生產(chǎn)，數(shù)控設(shè)備被廣泛應(yīng)用以提高生產(chǎn)柔性。其中，在生產(chǎn)要素中，數(shù)控刀具屬高價值的消耗類資源，常用的刀具補償參數(shù)包括刀具長度、半徑等，需要操作人員正確設(shè)定以保證安全生產(chǎn)和加工質(zhì)量[1-2]。

在柔性生產(chǎn)中，按照工序集中原則來設(shè)計工藝過程，一個工序、一個零件加工往往需要數(shù)十甚至上百把刀具。同時，刀具損壞等原因也需頻繁更換刀具，要求操作人員在機床調(diào)用刀具補償參數(shù)前，將更換后刀具的長度、半徑值輸入機床的刀具補償寄存器中。其中，在刀具補償參數(shù)輸入方式上，國外如巴魯夫等公司推出基于射頻識別（radio frequency identification,RFID）技術(shù)的刀具ID系統(tǒng)來 實現(xiàn)刀具補償數(shù)據(jù)從對刀儀到機床的傳遞，可有效降低數(shù)據(jù)輸入錯誤風(fēng)險[3-4]，但需要額外增加機床、刀柄配置等投入且使用條件要求嚴苛，從而制約該技術(shù)在生產(chǎn)現(xiàn)場的廣泛應(yīng)用。在國內(nèi)制造企業(yè)中，大多采用人工方式將刀具補償參數(shù)輸入到數(shù)控機床中，一旦出現(xiàn)刀具補償參數(shù)設(shè)定錯誤就會造成刀具損毀、機床碰撞等安全事故。因此，開發(fā)一種低成本、高效及可靠的刀具補償參數(shù)人工設(shè)定防錯方法是當(dāng)前制造企業(yè)亟需解決的難題。

針對上述難題，結(jié)合西門子808D、828D和840D等數(shù)控系統(tǒng)在國內(nèi)大量應(yīng)用的現(xiàn)狀[5-6]，提出一種適用于西門子系統(tǒng)的刀具補償參數(shù)人工設(shè)定程序防錯方法，并開發(fā)刀具補償參數(shù)設(shè)定防錯的數(shù)控程序，以期在機床調(diào)用刀具補償參數(shù)前，通過簡單程序調(diào)用實現(xiàn)對刀具補償人工設(shè)定錯誤的預(yù)警，實現(xiàn)自動防錯的目的。

1 防錯技術(shù)原理

防錯，又稱防呆法，由日本豐田公司提出。經(jīng)過不斷發(fā)展和完善，豐田公司搭建起高效、可靠的防錯技術(shù)體系，為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益[7-8]。防錯技術(shù)的實施貫穿于整個制造過程，對防止產(chǎn)品缺陷、提高制造質(zhì)量起到重要作用。應(yīng)用防錯技術(shù)的目的是防止在生產(chǎn)中人為錯誤的發(fā)生、盡早發(fā)現(xiàn)錯誤并及時糾正，以簡單方法、較低成本來提高產(chǎn)品質(zhì)量。

在生產(chǎn)中，由于偶然等不可控因素，操作人員經(jīng)常會出現(xiàn)刀具補償參數(shù)人工設(shè)定出錯的低級失誤?；诖耍岢鲆环N防錯技術(shù)：把防錯法融入數(shù)控編程中，在程序中增加判斷功能，提前識別刀具補償人工設(shè)定錯誤，并對錯誤進行提醒、警示，從而實現(xiàn)自動防錯。

2 刀具補償參數(shù)設(shè)定防錯功能開發(fā)

現(xiàn)場的防錯措施通常是在機床面板上粘貼提示性的文字，但操作人員長時間后就會較少關(guān)注，缺少有效的控制手段?；谠摤F(xiàn)狀，在西門子數(shù)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上進行刀具補償參數(shù)設(shè)定防錯技術(shù)的開發(fā)：在機床讀入當(dāng)前主軸刀具的補償參數(shù)后、數(shù)控加工程序段運行前，在程序中增加刀具補償參數(shù)設(shè)定防錯功能，通過程序?qū)Ξ?dāng)前主軸刀具補償參數(shù)的人工設(shè)定值進行自動判斷：若滿足參數(shù)設(shè)定條件，正常執(zhí)行加工程序；若不滿足條件，直接跳轉(zhuǎn)至報警提示程序段并終止加工，直至操作人員重新正確設(shè)定后方可啟動程序來完成后續(xù)加工。

如圖1所示，刀具補償參數(shù)人工設(shè)定的防錯主要通過在數(shù)控程序中增加對刀具補償參數(shù)（長度、半徑）自動讀取、比較、錯誤報警等功能來實現(xiàn)。具體功能展開如下：

圖1 數(shù)控刀具補償參數(shù)設(shè)定防錯功能模型圖

（1）讀取功能：在機床讀入當(dāng)前主軸的刀具補償參數(shù)值后、數(shù)控加工運行前，通過程序自動讀取西門子系統(tǒng)變量的方式來獲得當(dāng)前主軸刀具的長度、半徑補償值。

（2）比較功能：在生產(chǎn)準備階段，編程人員需要考慮綜合加工質(zhì)量、效率和成本等因素，合理選取刀具并設(shè)定刀具長度理論值及長度差異預(yù)警值、刀具半徑理論值及半徑差異預(yù)警值。該功能的實現(xiàn)，主要通過對讀取的當(dāng)前主軸刀具的長度、半徑值分別與該刀理論長度和半徑值進行數(shù)學(xué)運算，然后將計算得到的差異值與預(yù)警值進行條件判斷以評估當(dāng)前主軸刀具長度、直徑人工設(shè)定是否正確。

（3）錯誤報警：若刀具長度、半徑差異值均處于預(yù)警范圍內(nèi)，機床正常執(zhí)行加工程序；若刀具長度或半徑差異值超出預(yù)警范圍，機床停機報警，并在機床面板上顯示刀具補償參數(shù)人工設(shè)定錯誤的提示信息，引導(dǎo)操作人員重新正確設(shè)定以完成后續(xù)加工。

3 刀具補償參數(shù)設(shè)定防錯程序開發(fā)

通過綜合運用西門子系統(tǒng)的系統(tǒng)變量、邏輯運算、條件判斷、程序跳轉(zhuǎn)和報警提示等編程指令來完成刀具補償參數(shù)設(shè)定防錯程序的開發(fā)，可將其作為獨立的子程序融入到數(shù)控程序中，具有較好的編程通用性。其中，圖2為刀具補償參數(shù)設(shè)定防錯程序的開發(fā)流程。

圖2 刀具補償參數(shù)設(shè)定防錯程序開發(fā)流程圖

3.1 讀取刀具補償參數(shù)值

每把數(shù)控刀具加工前，機床會自動讀取當(dāng)前主軸的刀具長度、半徑補償值。其中，刀具的參數(shù)補償值需人工事先輸入機床的刀具補償寄存器中，防錯程序通過讀取系統(tǒng)變量來獲取上述刀補參數(shù)，使用的系統(tǒng)變量見表1[9]。

表1 系統(tǒng)變量

在刀具補償參數(shù)設(shè)定防錯程序中，當(dāng)前主軸刀具的長度、半徑補償值編程表達式分別為：$TC_DP3[$P_TOOLNO,$P_TOOL]、$TC_DP6[$P_TOOLNO,$P_TOOL]。為便于數(shù)據(jù)計算和比較，采用R1=$TC_DP3[$P_TOOLNO,$P_TOOL]、R2=$TC_DP6[$P_TOOLNO,$P_TOOL]的編程方式，將當(dāng)前主軸刀具的長度、半徑補償值分別賦于不同的R參數(shù)。

3.2 刀具補償實際值與理論值差異比較

在讀入當(dāng)前主軸刀具的補償參數(shù)后、加工程序段運行前，在防錯程序中增加條件判斷功能：將機床讀取到的當(dāng)前主軸刀具的長度值、半徑值分別與該刀理論長度和理論半徑值進行計算，通過限定條件來判斷當(dāng)前主軸刀具參數(shù)人工設(shè)定值是否滿足要求。其中，常見條件判斷類型見表2[10]。

表2 常見條件判斷類型

其中，刀具補償實際值與理論值差異的條件判斷編程見表3。

表3 編程及說明

在運行數(shù)控主程序后、刀具正式加工前，防錯程序會快速計算并比較當(dāng)前主軸刀具的長度、半徑值是否滿足限定條件，為下一步操作提供準確輸入。

3.3 刀具補償實際值超差報警

若人工設(shè)定的刀具長度或半徑差異值大于預(yù)警值，會在機床面板上顯示報警信息并終止加工程序；若人工設(shè)定的刀具長度、半徑差異值均小于預(yù)警值，機床會繼續(xù)執(zhí)行加工程序。在刀具補償設(shè)定防錯程序中，通過在機床加工界面顯示錯誤提示信息來引導(dǎo)操作人員重新正確設(shè)定刀具補償值。其中，編程見表4。

表4 編程及說明

4 刀具補償參數(shù)設(shè)定程序防錯技術(shù)驗證

刀具補償參數(shù)設(shè)定防錯程序開發(fā)完成后，在生產(chǎn)現(xiàn)場進行應(yīng)用驗證以評估其防錯效果。

（1）加工內(nèi)容：在長方體工件上加工一個直徑20 mm的盲孔，工藝說明見表5。

表5 加工實例說明

（2）數(shù)控程序開發(fā)：包括主程序和刀具補償參數(shù)設(shè)定防錯子程序。

主程序代碼如下：

刀具補償參數(shù)設(shè)定防錯子程序代碼如下：

（3）刀具補償參數(shù)設(shè)置防錯程序驗證

當(dāng)鉆孔主程序開始運行至N70行，進入刀具補償參數(shù)設(shè)置防錯子程序TOOLCHECK（圖3）：該子程序?qū)⑴袛喈?dāng)前主軸的刀具長度值、半徑值是否符合條件要求：假設(shè)事先人工設(shè)定的刀具長度值為220 mm（圖4），該值與主程序中設(shè)定的理論值（R3=200 mm）差為20 mm，超過設(shè)定的差異預(yù)警值（R4=0.5 mm）（圖5），執(zhí)行N70行并在機床面板上顯示設(shè)定錯誤的報警信息，在暫停10 s后終止程序（圖6）；同理，若人工設(shè)定的刀具半徑值與主程序中設(shè)定的理論值（R6）的差異值超過預(yù)警值（R7），執(zhí)行N130行并在機床面板上顯示設(shè)定錯誤的報警信息，在暫停10 s后終止程序。反之，若刀具長度、半徑的人工設(shè)定均正確，程序自動執(zhí)行N170行、退出防錯子程序，并在主程序中向下執(zhí)行加工程序，如圖3～6所示。

圖3 進入刀補設(shè)置防錯子程序

圖4 事先人工設(shè)定的刀具長度（錯誤）、刀具半徑值（正確）

圖5 防錯程序計算分析得出刀具長度人工設(shè)定超差

圖6 機床面板上顯示刀具長度人工設(shè)定出錯警示信息

在實際使用中，為簡化程序，可將刀具長度補償設(shè)定防錯程序作為一個通用的子程序使用，獨立存儲于數(shù)控機床中：僅需在數(shù)控主程序中設(shè)定刀具長度理論值及差異預(yù)警值、刀具半徑理論值及差異預(yù)警值，通過直接調(diào)用該防錯子程序就能對刀具參數(shù)補償?shù)娜斯ぴO(shè)定值進行自動判斷，提前識別人工錯誤并報警。因此，該方法脫離具體的加工零件，具有較好的通用性。

5 結(jié)語

針對車間生產(chǎn)現(xiàn)場中經(jīng)常發(fā)生的由于刀具補償參數(shù)人工設(shè)定錯誤造成刀具損毀、機床碰撞等安全事故且無有效控制手段的難題，提出一種適用于西門子數(shù)控系統(tǒng)的刀具補償參數(shù)設(shè)定程序防錯技術(shù)，開發(fā)出通用的刀具補償參數(shù)設(shè)定防錯程序，通過直接調(diào)用防錯程序?qū)崿F(xiàn)對刀具補償人工設(shè)定值的自動判斷、超差提醒，具有方法簡單、成本低及高效可靠的優(yōu)點。

實踐表明，在某生產(chǎn)車間導(dǎo)入并實施刀具補償參數(shù)設(shè)定程序防錯技術(shù)后，防錯的有效率達到100%，實施效果顯著。同時，開發(fā)的刀具補償參數(shù)設(shè)定程序防錯技術(shù)達到自動化、強制性的預(yù)期效果，在生產(chǎn)中具有較好的推廣應(yīng)用價值。