一種數(shù)控機(jī)床刀具自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張愛紅

（無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，無錫 214121）

0 引言

隨著制造企業(yè)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床與刀具數(shù)量、品種的增加，傳統(tǒng)的機(jī)床刀具管理方式已不能滿足企業(yè)信息化、智能化發(fā)展的需要。為了快速、準(zhǔn)確的識(shí)別刀具、更新刀具偏置值，將射頻設(shè)備應(yīng)用于機(jī)床刀具管理已成為機(jī)床用戶的新選擇。目前刀具自動(dòng)識(shí)別主要有兩種方式：1）采用PC或PLC與RFID處理器的通信，再由PC或PLC與機(jī)床通信交換信息[1,2]；2）采用機(jī)床與RFID處理器直接通信。相比較而言，后者無需額外配置PC、PLC等設(shè)備，具有通信環(huán)節(jié)簡化，成本低等優(yōu)點(diǎn)，是機(jī)床用戶的首選方案。文中以巴魯夫處理器與FANUC 0i MD數(shù)控加工中心的直接通信為例，給出了系統(tǒng)硬件組成、總線參數(shù)配置、PMC編程方法，基于此實(shí)現(xiàn)了數(shù)控刀具的自動(dòng)識(shí)別與刀偏數(shù)據(jù)的自動(dòng)錄入，為機(jī)床刀具智能化管理提供了新思路。

1 系統(tǒng)開發(fā)

1.1 系統(tǒng)組成

用于工業(yè)識(shí)別的巴魯夫RFID處理器支持Profibus，Profinet，DeviceNet等多種接口，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)選用了支持Pro fi bus DP通信的處理器模塊（BIS M-6002-019-050-03-ST11），將機(jī)床配置為通信主站，處理器為從站。讀寫頭與處理器采用電纜連接，可直接讀寫安裝于刀柄中的編碼塊數(shù)據(jù)，系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

1.2 現(xiàn)場總線通信參數(shù)配置

為了確保數(shù)控機(jī)床與外部設(shè)備的總線通信，需要正確配置兩者間的通信參數(shù)。與FANUC數(shù)控機(jī)床配置為通信從站相比[3]，主站配置較為復(fù)雜，需設(shè)置項(xiàng)包括：總線參數(shù)、子表、子單元參數(shù)、模塊數(shù)據(jù)、輸入輸出緩沖區(qū)、運(yùn)行方式等。目前有兩種設(shè)置方法[4]：一是借助于軟件CNC Setting Tool，二是手動(dòng)在線設(shè)定。考慮到配置方法的通用性，文中以機(jī)床側(cè)輸入輸出緩沖區(qū)、用戶參數(shù)數(shù)據(jù)的手動(dòng)設(shè)定說明其配置要點(diǎn)。

1）輸入輸出緩沖區(qū)

數(shù)控機(jī)床與巴魯夫處理器的數(shù)據(jù)交換是通過機(jī)床PMC輸入輸出緩沖區(qū)數(shù)據(jù)傳送來實(shí)現(xiàn)的，分為讀寫兩種不同操作。寫數(shù)據(jù)時(shí)，PMC將數(shù)據(jù)發(fā)送至輸出緩沖區(qū)；讀數(shù)據(jù)則由PMC從輸入緩沖區(qū)取數(shù)據(jù)。配置輸入輸出緩沖區(qū)前需先設(shè)定模塊數(shù)據(jù)（MODULE DATA），巴魯夫M60x2處理器設(shè)備文件（Bal608EE.gsd）給出了模塊數(shù)據(jù)的范圍：4～128字節(jié)，也就是可配置的輸入輸出緩沖區(qū)大小。對(duì)于64字節(jié)的輸入輸出模塊，16進(jìn)制的模塊數(shù)據(jù)為：0x40，0x5F，0x80，0x5F，需將上述數(shù)據(jù)設(shè)置到“模塊數(shù)據(jù)”頁面，如圖2(a)所示。設(shè)置時(shí)先將長度設(shè)為4，表示模塊數(shù)據(jù)占用4個(gè)字節(jié)，再將偏移設(shè)為ON，最后輸入模塊數(shù)據(jù)：40，5F，80，5F。

根據(jù)模塊數(shù)據(jù)的設(shè)置，輸入輸出緩沖區(qū)大小均為64字節(jié)，需要連續(xù)編址且不能占用機(jī)床已使用的內(nèi)部繼電器。圖2(b)給出了DP主站側(cè)的設(shè)置：從站（處理器）總線地址為3，插槽為0，機(jī)床PMC側(cè)輸入輸出緩沖區(qū)首址設(shè)為R1000（DI）與R1100（DO），字節(jié)數(shù)（SIZ）為64，結(jié)果輸入緩沖區(qū)配置為R1000～R1063，輸出緩沖區(qū)為R1100～R1163。

圖2 模塊數(shù)據(jù)與DI/DO設(shè)置

2）用戶參數(shù)數(shù)據(jù)（USER PRM DATA）

考慮到所選處理器帶兩個(gè)讀寫頭，前文配置的64字節(jié)為兩個(gè)讀寫頭緩沖區(qū)的總和。讀寫頭1緩沖區(qū)大小由用戶參數(shù)數(shù)據(jù)第6個(gè)字節(jié)設(shè)定，剩余字節(jié)自動(dòng)分配給讀寫頭2。用戶參數(shù)數(shù)據(jù)的缺省值為：0x00，0x80，0x00，0x82，0x00，0x02，實(shí)際使用時(shí)需修改第6字節(jié)，為0x10時(shí)表示將讀寫頭1的輸入輸出緩沖區(qū)設(shè)為16字節(jié)，剩余48字節(jié)自動(dòng)分配給讀寫頭2。系統(tǒng)中只配置了一個(gè)讀寫頭，實(shí)際用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮斎刖彌_區(qū)為：R1000～R1015，輸出緩沖區(qū)為：R1100～R1115。緩沖區(qū)的首尾字節(jié)為位頭（Bit Header），用于數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的節(jié)拍控制。位頭的數(shù)量可由用戶參數(shù)數(shù)據(jù)第4字節(jié)的第8位設(shè)定，缺省值為1時(shí)表示使用首尾位頭，此時(shí)系統(tǒng)可用于數(shù)據(jù)傳送的字節(jié)數(shù)（帶寬）為14。

1.3 機(jī)床PMC通信編程

機(jī)床與巴魯夫處理器通信采用對(duì)話式的協(xié)議序列，具體如下：1）PMC發(fā)送命令標(biāo)識(shí)碼、數(shù)據(jù)地址與字節(jié)數(shù)等，并置位輸出緩沖區(qū)AV信號(hào)，通知處理器輸出數(shù)據(jù)有效、傳送作業(yè)啟動(dòng)；2）處理器接收到信號(hào)后置位AA信號(hào)；3）如果雙方傳送的數(shù)據(jù)超出14字節(jié)長，還需使用TI、TO位以及計(jì)數(shù)器完成附加數(shù)據(jù)的傳送；4）處理器操作完成后將置位AE信號(hào)；5）PMC接受數(shù)據(jù)后將復(fù)位AV信號(hào)；6）最后處理器復(fù)位AA、AE信號(hào)，準(zhǔn)備后續(xù)作業(yè)的傳送。其中AV、AA、AE、TI、TO等為輸入輸出緩沖區(qū)位頭信號(hào)。

1.3.1 輸入輸出緩沖區(qū)位頭信號(hào)定義

通過讀寫輸入輸出緩沖區(qū)首尾字節(jié)位信號(hào)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送控制。輸入緩沖區(qū)的首尾字節(jié)位表示識(shí)別系統(tǒng)（BIS）的狀態(tài)，輸出緩沖區(qū)首尾字節(jié)位則用于命令控制。根據(jù)系統(tǒng)輸入輸出緩沖區(qū)的設(shè)定給出了位頭信號(hào)的定義，如表1所示。

1.3.2 編碼塊數(shù)據(jù)讀寫例程

本系統(tǒng)只使用編碼塊前10個(gè)字節(jié)存放數(shù)據(jù)，編碼順序?yàn)椋旱毒咛?hào)，刀具直徑，刀具長度，刀具直徑磨損量，刀具長度磨損量，每個(gè)數(shù)據(jù)占用兩個(gè)字節(jié)。讀操作時(shí)，安裝編碼塊的刀柄進(jìn)入讀寫頭識(shí)別區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)讀取刀具數(shù)據(jù)，并調(diào)用窗口功能將刀具數(shù)據(jù)寫入刀偏表。寫操作時(shí)，系統(tǒng)將PMC數(shù)據(jù)表中指定數(shù)據(jù)寫入編碼塊，實(shí)現(xiàn)刀具數(shù)據(jù)的快速更新。刀柄編碼塊數(shù)據(jù)的讀、寫控制均通過PMC編程實(shí)現(xiàn)。

1）讀取編碼塊數(shù)據(jù)

基于機(jī)床與處理器的通信時(shí)序要求，讀控制流程如下：（1）將機(jī)床面板上的閑置按鍵（例：X0.6）定義為讀操作切換鍵，在識(shí)別系統(tǒng)就緒時(shí)按下該鍵，使保持型繼電器K11.0置位，K11.1復(fù)位，系統(tǒng)處于讀使能狀態(tài)；（2）判斷輸入緩沖區(qū)首尾字節(jié)是否一致，一致時(shí)將內(nèi)部繼電器R1410.0置位；（3）編碼塊出現(xiàn)在讀寫頭識(shí)別區(qū)時(shí)，發(fā)送讀命令碼0x01→R1101，0x00→編碼塊數(shù)據(jù)低位開始地址R1102，0x00→編碼塊數(shù)據(jù)高位開始地址R1103， 0x0a→編碼塊數(shù)據(jù)低位字節(jié)數(shù)R1104，0x00→編碼塊數(shù)據(jù)高位字節(jié)數(shù)R1105；同時(shí)置位輸出緩沖區(qū)位頭信號(hào)AV、AV2；（4）當(dāng)AE信號(hào)置位時(shí)，將輸入信號(hào)傳送至數(shù)據(jù)表（如圖3所示）；（5）置位讀操作結(jié)束信號(hào)R1410.5；（6）調(diào)用窗口功能指令WINDW，將數(shù)據(jù)寫入刀偏表。

表1 輸入輸出緩沖區(qū)位頭信號(hào)

圖3給出了部分輸入信號(hào)的傳送過程。程序執(zhí)行結(jié)果將輸入緩沖區(qū)R1001～R1002數(shù)據(jù)直接傳送至數(shù)據(jù)寄存器D206～D207，而緩沖區(qū)R1003～R1004數(shù)據(jù)經(jīng)中間變量D400乘1000后傳送至D210～D213。

圖3 數(shù)據(jù)傳送例程

在調(diào)用窗口功能指令前，需定義寫入刀偏的數(shù)據(jù)表。以寫入刀具直徑為例，新增數(shù)據(jù)表的首地址為D200，如圖4(a)所示，數(shù)據(jù)構(gòu)成如圖4(b)所示。寫入刀具幾何直徑偏置值的功能代碼為14，結(jié)束代碼無需設(shè)定；考慮到應(yīng)用數(shù)據(jù)表寫入刀偏量的單位為微米，數(shù)據(jù)長度需占用4字節(jié)。偏置號(hào)為讀取的刀具號(hào)（10）；偏置類型設(shè)為1時(shí)，表示寫入刀具直徑值。窗口指令執(zhí)行后，數(shù)據(jù)寫入刀偏表。

圖4 PMC數(shù)據(jù)表設(shè)置

2）寫入編碼塊數(shù)據(jù)

與讀編碼塊數(shù)據(jù)相比，寫操作無需調(diào)用PMC窗口功能，但在數(shù)據(jù)傳送中需要調(diào)用TI信號(hào)，其控制流程如下：（1）將機(jī)床面板上的+X、-X手動(dòng)按鍵同時(shí)按下時(shí)定義為寫操作控制鍵，目的使K11.0復(fù)位、K11.1置位，系統(tǒng)處于寫使能狀態(tài)；（2）接著判斷輸入緩沖區(qū)首尾字節(jié)是否一致，一致時(shí)內(nèi)部繼電器R1410.1接通；（3）編碼塊出現(xiàn)在讀寫頭識(shí)別區(qū)時(shí)，發(fā)送寫命令碼0x02→R1101，0x00→編碼塊數(shù)據(jù)低位開始地址R1102，0x00→編碼塊數(shù)據(jù)高位開始地址R1103，0x0a→編碼塊數(shù)據(jù)低位字節(jié)數(shù)R1104，0x00→編碼塊數(shù)據(jù)高位字節(jié)數(shù)R1105；同時(shí)置位輸出緩沖區(qū)位頭信號(hào)AV、AV2；（4）AA狀態(tài)位為1時(shí)，將預(yù)置數(shù)據(jù)表（例如D300）開始的刀具號(hào)、直徑值、長度等傳送至輸出緩沖區(qū)；（5）取反TI信號(hào)位，數(shù)據(jù)輸出啟動(dòng)；（6）查詢處理器命令完成信號(hào)AE，AE為1時(shí)復(fù)位AV信號(hào)，數(shù)據(jù)傳送結(jié)束。

2 結(jié)束語

將巴魯夫處理器用于數(shù)控機(jī)床刀具的自動(dòng)識(shí)別，可實(shí)現(xiàn)刀具數(shù)據(jù)的自動(dòng)錄入與更新，與人工操作相比，既可縮短數(shù)據(jù)輸入的時(shí)間，又可防止手工輸入的誤操作，從而提高了機(jī)床的運(yùn)行效率，是刀具管理自動(dòng)化與智能化發(fā)展的趨勢。