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西門子 828D 刀庫功能解析及實(shí)現(xiàn)

2024-5-24 來源：一拖（洛陽）柴油機(jī)有限公司作者：張鋒，馬金衛(wèi)，盧浩鵬，郭繼程

摘要：刀庫換刀功能是數(shù)控加工中心一個(gè)不可或缺的功能，闡述西門子 828D 數(shù)控系統(tǒng)刀庫功能所需的參數(shù)和數(shù)據(jù)表的含義，換刀步驟的命令和響應(yīng)過程，用實(shí)際改造項(xiàng)目進(jìn)行輔助說明。

關(guān)鍵詞：828D；刀庫；加工中心；刀具管理

0 引言

一拖（洛陽）柴油機(jī)公司一臺 ARROW500 加工中心故障率高，為了解決問題決定用西門子 828D 系統(tǒng)代替原有定制數(shù)控系統(tǒng)。整個(gè)改造過程中，實(shí)現(xiàn)換刀功能是難度最大的部分。為實(shí)現(xiàn)刀庫換刀功能，技術(shù)人員查閱大量資料，投入大量時(shí)間和精力。要實(shí)現(xiàn)換刀功能，首先要弄明白西門子 828D 數(shù)控系統(tǒng)換刀過程中的數(shù)據(jù)傳遞，以及相關(guān)參數(shù)的含義。

1、換刀功能技術(shù)研究

全新的 828D 數(shù)控系統(tǒng)默認(rèn)沒有“刀具管理”界面，需要運(yùn)行刀庫初始化文件 MAG_CONF.SPF 進(jìn)行刀庫初始操作，刀庫初始化步驟在《828D 簡明調(diào)試手冊》有詳細(xì)介紹，按照步驟操作即可。換刀子程序 L6.SPF 使用西門子提供的標(biāo)準(zhǔn)程序，根據(jù)手冊復(fù)制到指定位置即可。

然后根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定相關(guān)參數(shù)：MD10715［0］、MD10716［0］、MD10717、MD10760、MD20270、MD22550、MD22560、MD20310（bit9）、MD52270（bit7、bit8、bit9）、MD30600［0］、MD30600［1］和MD30600［2］。參數(shù)具體含義參考《SINUMERIK 828D，SINAMICS120 機(jī)床數(shù)據(jù)參數(shù)手冊》。

刀庫功能的實(shí)現(xiàn)是數(shù)控系統(tǒng)、PLC 程序、刀庫檢測信號之間精準(zhǔn)配合完成的。換刀過程中，每一步都是由 NCK 發(fā)出動作開始命令，由 PLC 發(fā)出動作完成的應(yīng)答信號來結(jié)束該步，NCK 進(jìn)入下一步。

1.1 建立傳輸/響應(yīng)步驟表

描述一個(gè)刀具的移動需要一個(gè)源地址和一個(gè)目標(biāo)地址。新刀是要換上主軸的，目標(biāo)地址是固定的，就是主軸。新刀的源地址是刀庫，但是刀位號是隨機(jī)的，可以是任意一個(gè)刀位。舊刀是要換回刀庫的，源地址是固定的，就是主軸。舊刀的目標(biāo)地址是刀庫，但是刀位號是隨機(jī)的，可以是任意一個(gè)刀位。

在 PLC 程序中添加 3 個(gè)系統(tǒng) DB 塊，DB9900（常量傳遞表）、DB9901（變量傳遞表）和 DB9902（響應(yīng)表），在表中定義刀具或刀庫的所有可能的狀態(tài)。

1.1.1 DB9900 常量傳遞表

DB9900 常量傳遞表列舉換刀過程中刀具經(jīng)歷的刀庫變化，例如待換刀臂刀庫的刀具從刀庫到主軸，依次經(jīng)歷刀庫（真實(shí)刀庫）、換刀臂（緩沖區(qū) 2，西門子把緩沖區(qū)也看作一個(gè)刀庫）、主軸（緩沖區(qū) 1），刀具經(jīng)歷的刀庫和刀位在后面詳細(xì)介紹。

設(shè)計(jì) DB9900 常量傳遞表的步驟要點(diǎn)：

單獨(dú)設(shè)計(jì)新刀移動的步驟，即刀具從刀庫到主軸的過程步驟。例如，帶換刀臂的刀庫，新刀移動到主軸有兩步：刀庫→換刀臂、換刀臂→主軸。

單獨(dú)設(shè)計(jì)舊刀移動的步驟，即刀具從主軸到刀庫的過程步驟。例如，帶換刀臂的刀庫，舊刀移動到主軸有兩步：主軸→換刀臂、換刀臂→刀庫。

DB9900 的步驟數(shù)=新刀移動的步驟數(shù)+舊刀移動的步驟數(shù)。因此帶換刀臂刀庫的換刀步驟有 4 步。

1.1.2 DB9901 變量傳遞表

DB9901 變量傳遞表列舉刀具在真實(shí)刀庫中刀位的變化，一般都是把目標(biāo)到位號調(diào)到可以離開刀庫的位置，步驟比較少，步驟號從 101 開始與 DB9900 步驟號從 1 開始不同。

1.1.3 DB9902 響應(yīng)表

DB9902 響應(yīng)表的步驟不是每次換刀都全部執(zhí)行，而是根據(jù)主軸無刀抓新刀、主軸有刀換刀、還刀 3 種情況執(zhí)行不同的步驟，響應(yīng)對應(yīng)的信號即可完成換刀過程。

DB9902 響應(yīng)表建立要點(diǎn)：

建立響應(yīng)表應(yīng)該窮舉出主軸無刀抓新刀、主軸有刀換刀、還刀這 3 種刀庫動作的所有狀態(tài)。有共同的狀態(tài)合成同一步，不同的狀態(tài)需要全部列舉出來放入 DB9902 中。每一步都要指明新刀和舊刀的動作，如果沒有動作，起始值設(shè)為零。

響應(yīng)表中的新/舊刀要執(zhí)行相應(yīng)的動作，動作起始值填寫DB9900 中編寫動作步驟的步驟號。

刀庫結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，換刀的中間狀態(tài)越多，建立的響應(yīng)表步驟越多。

響應(yīng)表還要建立刀庫旋轉(zhuǎn)的步驟和換刀終止的步驟。刀庫旋轉(zhuǎn)舊刀沒有動作，新刀動作的起始值要和 DB9901 中相應(yīng)動作的步驟號相同。

真實(shí)刀庫中的某個(gè)刀位用刀位號表示，但是刀庫中的刀位往往較多，很難逐個(gè)列出。所以用“0，1”代表新刀源地址，實(shí)際地址在 DB4300.DBW6 和 DB4300.DBW8 中；用“0，2”代表舊刀目標(biāo)地址，實(shí)際地址在 DB4300.DBW18 和 DB4300.DBW20 中。

在緩沖區(qū)中用“9998，1”代表主軸，“9998，2”代表卡爪 1，“9998，3”代表卡爪 2。一般刀庫裝刀點(diǎn)都是主軸，用“9999，1”表示，如果還有第二裝刀點(diǎn)，則用“9999，2”表示。

1.2 自動換刀命令和應(yīng)答

刀庫換刀相關(guān)命令讀取地址見表 1。

表 1 自動換刀命令信號接口

DB4300.DBX0.0 是命令位，代表當(dāng)前有命令。DB4300.DBB1中的每一位對應(yīng)不同的命令內(nèi)容。

自動換刀過程中，DB4300.DBX1.0~DB4300.DBX1.6 中的信號來自 NCK，結(jié)合換刀程序的信息和刀具管理表的實(shí)際情況，向 PLC 發(fā)出不同的信號。例如：換刀程序執(zhí)行時(shí)主軸上無刀，則DB4300.DBX1.4 置 1；執(zhí)行換刀程序 T0，則 DB4300.DBX1.3 置1；換刀執(zhí)行到需要刀庫旋轉(zhuǎn)找刀時(shí)，DB4300.DBX1.2 置 1。

正常情況下?lián)Q刀程序執(zhí)行 M206 指令后，DB4300.DBX1.1一直置 1，刀庫換刀位的刀號和主軸上刀具的原刀位不相同時(shí)，DB4300.DBX1.1 不會置 1，還有其他條件也可能導(dǎo)致 DB4300.DBX1.1 不會置 1，需要多加觀察。

自動換刀各個(gè)步驟應(yīng)答地址見表 2。

表 2 自動換刀應(yīng)答信號接口

表 2 中數(shù)字對應(yīng) DB9902 中的步驟數(shù)。例如 DB4200.DBX0.1中 1，對應(yīng) DB9902 中的第 1 步，當(dāng)換刀過程中執(zhí)行到 DB9902中的第 1 步，如果 PLC 將 DB4200.DBX0.1 置 1，表示 DB9902 中的第 1 步完成，否則刀具管理表認(rèn)為這一步?jīng)]有完成，不會進(jìn)行下一步動作。

響應(yīng)信號使用置位線圈（S），其接通后，在下一個(gè) PLC 掃描周期自動復(fù)位，因此不需要復(fù)位的 PLC 程序。

響應(yīng)信號存在的實(shí)際非常短暫，只有一個(gè) PLC 掃描周期，因此在 PLC 程序監(jiān)控中看不到響應(yīng)信號接通，需要添加輸出或者中繼點(diǎn)的置位線圈進(jìn)行輔助顯示。

如果不借助輔助顯示信號，直接監(jiān)控到一個(gè)響應(yīng)信號一直存在，則表示該響應(yīng)信號的命令沒有出現(xiàn)，先出現(xiàn)了響應(yīng)信號。這種情況下即使響應(yīng)信號的條件已經(jīng)不滿足，該信號在下一個(gè)PLC 掃描周期也不會自動復(fù)位，需要接通 DB4200.DBX9.0 來復(fù)位該信號。

響應(yīng)信號其實(shí)就是告訴刀具管理表，換刀的某個(gè)動作已經(jīng)完成，可以進(jìn)行下一步動作。

2、ARROW500 的換刀功能設(shè)計(jì)

ARROW500 刀庫為沒有換刀臂的斗笠式刀庫，換刀時(shí)主軸直接在刀庫里抓刀，換刀步驟比較簡單。換刀 PLC 程序根據(jù)個(gè)人的思路，各有不同。主要說明 PLC 中傳送/響應(yīng)步驟表的建立。

2.1 DB9900 常量傳遞表

由于 ARROW500 沒有換刀臂，換刀的步驟比較少。新刀移動步驟只有一步：刀庫→主軸；舊刀移動步驟也只有一步：主軸→刀庫。因此 DB9900 中只設(shè)計(jì)2 步就可以，ARROW500 的DB9900設(shè)置如圖 1 所示。

圖 1 ARROW500 的 DB9900 設(shè)置

步驟 1 表示刀具從刀庫到主軸的過程。其中 DB9900.DBW0 和B9900.DBW2 的數(shù)值“0，1”代表源刀庫號和源刀位號。DB9900.DBW4 和 DB9900.DBW6 的數(shù)值“9998，1”代表目標(biāo)刀庫號和目標(biāo)刀位號，也就是主軸。

步驟 2 表示刀具從主軸到刀庫的過程。其中 DB9900.DBW8和 DB9900.DBW10 的數(shù)值“9998，1”代表源刀庫號和源刀位號，也就是主軸。DB9900.DBW6 和 DB9900.DBW8 的數(shù)值“0，2”代表目標(biāo)刀庫號和目標(biāo)刀位號。

2.2 DB9901 變量傳遞表

DB9901 主要顯示刀庫旋轉(zhuǎn)動作的步驟。ARROW500 的DB9901 數(shù)據(jù)如圖 2 所示。

圖 2 ARROW500 的 DB9901 設(shè)置

該步驟只有一步，從刀庫到主軸的數(shù)據(jù)傳遞。DB9901.DBW0和 DB9901.DBW2 中的數(shù)據(jù)“1，0”代表源刀庫號和源刀位號，表示刀庫中某個(gè)刀位，“0”會在 OLC 程序中修改為當(dāng)前刀位號DB9901.DBW4 和 DB9901.DBW6 的數(shù)值“9998，1”代表目標(biāo)刀庫號和目標(biāo)刀位號，也就主軸。

2.3 DB9902 響應(yīng)表

安裝每一步新刀和舊刀只有一個(gè)可以動作的原則，響應(yīng)表窮舉刀庫換刀的所有可能步驟，斗笠式刀庫響應(yīng)表設(shè)計(jì)見表 3。然后根據(jù)表使用填寫 DB9902 數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)，ARROW500 中DB9902 響應(yīng)表設(shè)置如圖 3 所示。

圖 3 ARROW500 中 DB9902 響應(yīng)表設(shè)置

執(zhí)行不同的步驟，響應(yīng)對應(yīng)的信號即可完成換刀過程。例如：

（1）主軸無刀抓新刀步驟順序（以表 3 中步驟為例）為：步驟5→步驟 3→步驟 2。

（2）主軸有刀換刀步驟順序?yàn)椋翰襟E 4→步驟 5→步驟 3→步驟 2。

（3）還刀步驟順序?yàn)椋翰襟E 4→步驟 2。

表 3 斗笠式刀庫響應(yīng)表設(shè)計(jì)

3、結(jié)語

通過對西門子 828D 換刀功能的探索與實(shí)踐，順利完成ARROW500 加工中心的改造項(xiàng)目，并且對西門子數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流有了更加深刻的認(rèn)識，對與西門子數(shù)控系統(tǒng)的其他故障排除有很強(qiáng)的借鑒意義。

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