基于Fanuc系統(tǒng)的加工中心虛擬刀庫技術(shù)

郭擁軍 黎月明

(北京控制工程研究所，北京100190)

多數(shù)加工中心對刀庫的每一個刀座(套)進(jìn)行了編號，放入刀具后，刀具所在刀座號自動成為該刀具的刀號，刀具參數(shù)表中僅有對應(yīng)于每一個補(bǔ)償號的長度、半徑補(bǔ)償值;加工程序運(yùn)行期間，遇到換刀指令(一般為T××M06或M06T××)，即根據(jù)程序刀號(××)從刀庫相應(yīng)編號的刀座選取刀具進(jìn)行換刀，執(zhí)行刀具補(bǔ)償命令，根據(jù)程序中的補(bǔ)償號(長度、半徑)所對應(yīng)的刀具參數(shù)表中補(bǔ)償值，由數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)刀具運(yùn)行軌跡(沿軸向/徑向)偏離編程軌跡相應(yīng)的量來完成加工。這樣，即使由于刀具的制造誤差、加工磨損及加工中途換刀誤差等因素存在，造成加工時刀具長度值或半徑值偏離了編程時的理想值，也不必修改加工程序，僅修改刀具參數(shù)表中補(bǔ)償號對應(yīng)的補(bǔ)償值，仍然能夠保證正確的加工軌跡，這大大方便了數(shù)控編程工作。

然而，在多品種小批量的生產(chǎn)模式下，機(jī)床刀庫的存刀狀況會經(jīng)常變化，也很有可能需要更換同類機(jī)床進(jìn)行加工，甚至于刀具磨損后需啟用備份刀具進(jìn)行加工，導(dǎo)致加工中常常遇到程序刀號、補(bǔ)償號與刀庫現(xiàn)有存刀狀況不匹配情況。因此，每次加工都要逐個程序、逐個刀號補(bǔ)償號進(jìn)行匹配檢查，發(fā)現(xiàn)不匹配就要修改各個程序或?qū)⒌毒邠Q到相應(yīng)刀座和修改刀具參數(shù)表。這些工作都既費(fèi)時又很容易發(fā)生錯誤，輕則造成停機(jī)、廢品，嚴(yán)重的會發(fā)生重大的生產(chǎn)事故。

此外，刀庫的實(shí)際刀座數(shù)量是很有限的，且刀座的編號和刀具參數(shù)表的補(bǔ)償號廠家都已規(guī)定好了，故刀號、補(bǔ)償號的數(shù)量是很有限的，無法直接表達(dá)重要刀具信息(刀具類型、物理、幾何參數(shù)等信息)，而且刀具參數(shù)表僅表示了刀具的長度、半徑補(bǔ)償值，直接造成操作者對機(jī)床刀庫現(xiàn)有存刀狀況辨識困難，影響工作效率。同時也造成了程序的刀號補(bǔ)償號不代表刀具自身的信息，導(dǎo)致程序可讀性差，影響了刀具信息傳遞、準(zhǔn)備、管理的工作效率。

針對以上問題，本文通過設(shè)計(jì)宏程序在加工中心實(shí)現(xiàn)了虛擬刀庫，操作者在“擴(kuò)展刀具表”中記入虛擬刀號，方便了對刀庫存刀的辨識;程序刀號改為虛擬刀號，提高了程序可讀性;程序運(yùn)行自動完成刀號補(bǔ)償號的匹配工作，不需要進(jìn)行匹配檢查、修改程序或改變刀具的刀座和參數(shù)，工作更可靠，方便了操作者和編程者，以及刀具信息的交流與管理工作。該技術(shù)可推廣應(yīng)用到其他加工中心。

1 虛擬刀庫技術(shù)實(shí)現(xiàn)

下面本文就以1臺Fanuc16i系統(tǒng)的五軸五聯(lián)動機(jī)床為例具體講解如何實(shí)現(xiàn)。機(jī)床刀庫允許裝刀容量為24把，即機(jī)床本身可用刀號僅有24個，為1～24，補(bǔ)償號是1～32，補(bǔ)償號可以和刀號不一樣，但安全操作起見，特別是用UG等軟件進(jìn)行數(shù)控編程時，往往采用刀號和補(bǔ)償號一樣或?qū)?yīng)。本文就按補(bǔ)償號和刀號一樣處理，但也支持不一樣(不討論)。

1.1 虛擬刀號

為便于編程者和操作者理解和使用，且虛擬刀號僅反映刀具自身的重要信息(刀具類型、直徑、特殊信息等)，制定7位的虛擬刀號編碼規(guī)則如圖1(考慮到Fanuc16i系統(tǒng)宏程序變量值最多可保證精確到8位數(shù)字，根據(jù)需要，本規(guī)則最多可采用8位)。

為方便理解，這里再舉兩個實(shí)例來說明如下:①1245100 倒角45°直徑10 mm倒角銑刀;②1680180

刃長8.0 mm直徑18 mm T型槽銑刀。

1.2 擴(kuò)展刀具表

建立擴(kuò)展刀具表程序如下:

程序中#1～#24為Fanuc系統(tǒng)局部變量，分別用于記入1～24號刀座放入刀具的虛擬刀號。操作者裝入刀具時，就在刀具參數(shù)中記入刀具補(bǔ)償值，在擴(kuò)展刀具表中記入虛擬刀號。刀座沒有裝刀時，虛擬刀號記入0;刀座中刀具磨損或有問題，來不及更換時，虛擬刀號前加一負(fù)號，若相同虛擬刀號的備份刀具同時在刀庫中，即可啟用。本程序后半部分用于循環(huán)查找與加工程序中的虛擬刀號相匹配的刀座號，從24號刀座開始循環(huán)遞減查找，#101、#102為公共變量，注意避開機(jī)床廠家程序已采用的公共變量。

1.3 虛擬刀號換刀指令

虛擬刀號換刀指令——M450T×××××××(T后是7位的虛擬刀號)

Fanuc系統(tǒng)已規(guī)定了宏程序M調(diào)用功能所調(diào)用程序號和參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，這里設(shè)置參數(shù)6084的值為450，即可用M450(注意避開機(jī)床已有M代碼)調(diào)用宏程序O9024，程序如下:

這里有2點(diǎn)需要說明:

(1)通常程序號9000～9999是處于讀寫保護(hù)狀態(tài)，需要設(shè)定參數(shù)寫入允許(PARAMETER WRITE=1)，并設(shè)置參數(shù)3202的第4位(NE9=0)，才可將程序O9024存入機(jī)床，然后設(shè)置NE9=1恢復(fù)程序的讀寫保護(hù)狀態(tài)，并設(shè)定參數(shù)寫入禁止。

(2)程序中可以通過讀取系統(tǒng)變量獲得刀具當(dāng)前位置坐標(biāo)和補(bǔ)償值，計(jì)算出一坐標(biāo)值，使建立或取消刀具長度補(bǔ)償時主軸不產(chǎn)生移動，適應(yīng)刀長變化，避免設(shè)定固定坐標(biāo)可能會出現(xiàn)扎刀或超程現(xiàn)象。而使用五軸機(jī)床的斜面加工指令(G432H#4120)來實(shí)現(xiàn)，會更加簡單。

1.4 對編制加工程序的影響

手動編程時，采用虛擬刀號換刀指令就不用再進(jìn)行長度補(bǔ)償，半徑補(bǔ)償號全部采用#4120即可。

采用UG軟件進(jìn)行編程時，刀號要改為虛擬刀號，還需要對后處理文件做一次適應(yīng)性簡單修改。有2種方法可以實(shí)現(xiàn)這種修改:

方法一:用UG/GPM(Graphics Postprocessor Module)做后處理，可以通過UG工具 MDFG對此前的MDF(即機(jī)床數(shù)據(jù)文件)做出修改:換刀M代碼M06改為M450，刀號的最大值改為9999999;取消長度補(bǔ)償代碼的產(chǎn)生;同時半徑補(bǔ)償代碼字D改為D#4120，半徑補(bǔ)償號產(chǎn)生的總位數(shù)設(shè)定為0，保存就完成了的修改。

方法二:用UG/Post做后處理，可以通過UG工具POST BUILDER對此前的.tcl文件和.def文件做出修改:換刀M代碼M06改為M450，刀號的最大值改為9999999;取消長度補(bǔ)償代碼的產(chǎn)生;同時半徑補(bǔ)償代碼字D格式由數(shù)字改為字符串(String)，字D的表達(dá)式(Expression)改為#4120，保存就完成了修改。

此外，由于虛擬刀號對刀具直徑(通常是刀具名義直徑尺寸)表達(dá)的比較精確，可以直接用其表達(dá)的刀具直徑值作為編程刀具直徑值，通過軟件很容易生成理想的刀具中心軌跡，這樣刀具的半徑補(bǔ)償值就可以控制到較小的數(shù)值(同時不影響刀庫中刀具的辨識)，減小了應(yīng)用刀具半徑補(bǔ)償可能產(chǎn)生過切的幾率和過切量值。

2 結(jié)語

虛擬刀庫技術(shù)在五軸加工中心的實(shí)際應(yīng)用表明，其應(yīng)用有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)使加工程序獨(dú)立于刀具實(shí)際放入刀座的編號，使得費(fèi)時且易出錯的程序刀號補(bǔ)償號匹配工作變成了簡單可靠的自動實(shí)現(xiàn)。

(2)由于虛擬刀號換刀指令已包含了與換刀有關(guān)的安全(復(fù)位)操作，使加工程序得到簡化，可讀性增強(qiáng)，運(yùn)行更可靠(如刀具補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用)，同時實(shí)現(xiàn)了規(guī)范數(shù)控編程工作，提高了編程工作效率。

(3)方便了操作者對刀庫存刀的快速準(zhǔn)確識別，也加快了刀具信息的交流。

［1］GE Fanuc automation europe.series 16i/18i/160i/180i 160is/180is-MA operator's manual［M］，2000.