數(shù)控刀具補(bǔ)償參數(shù)設(shè)定防錯(cuò)技術(shù)研究＊

趙國(guó)強(qiáng)

（山東科技職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，山東 濰坊 261053）

伴隨激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和日益增長(zhǎng)的客戶個(gè)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(jià)值的消耗類資源，常用的刀具補(bǔ)償參數(shù)包括刀具長(zhǎng)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(lái)設(shè)計(jì)工藝過(guò)程，一個(gè)工序、一個(gè)零件加工往往需要數(shù)十甚至上百把刀具。同時(shí)，刀具損壞等原因也需頻繁更換刀具，要求操作人員在機(jī)床調(diào)用刀具補(bǔ)償參數(shù)前，將更換后刀具的長(zhǎng)度、半徑值輸入機(jī)床的刀具補(bǔ)償寄存器中。其中，在刀具補(bǔ)償參數(shù)輸入方式上，國(guó)外如巴魯夫等公司推出基于射頻識(shí)別（radio frequency identification,RFID）技術(shù)的刀具ID系統(tǒng)來(lái) 實(shí)現(xiàn)刀具補(bǔ)償數(shù)據(jù)從對(duì)刀儀到機(jī)床的傳遞，可有效降低數(shù)據(jù)輸入錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn)[3-4]，但需要額外增加機(jī)床、刀柄配置等投入且使用條件要求嚴(yán)苛，從而制約該技術(shù)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的廣泛應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)制造企業(yè)中，大多采用人工方式將刀具補(bǔ)償參數(shù)輸入到數(shù)控機(jī)床中，一旦出現(xiàn)刀具補(bǔ)償參數(shù)設(shè)定錯(cuò)誤就會(huì)造成刀具損毀、機(jī)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(bǔ)償參數(shù)人工設(shè)定防錯(cuò)方法是當(dāng)前制造企業(yè)亟需解決的難題。

針對(duì)上述難題，結(jié)合西門子808D、828D和840D等數(shù)控系統(tǒng)在國(guó)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(bǔ)償參數(shù)人工設(shè)定程序防錯(cuò)方法，并開發(fā)刀具補(bǔ)償參數(shù)設(shè)定防錯(cuò)的數(shù)控程序，以期在機(jī)床調(diào)用刀具補(bǔ)償參數(shù)前，通過(guò)簡(jiǎn)單程序調(diào)用實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具補(bǔ)償人工設(shè)定錯(cuò)誤的預(yù)警，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)防錯(cuò)的目的。

1 防錯(cuò)技術(shù)原理

防錯(cuò)，又稱防呆法，由日本豐田公司提出。經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展和完善，豐田公司搭建起高效、可靠的防錯(cuò)技術(shù)體系，為企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益[7-8]。防錯(cuò)技術(shù)的實(shí)施貫穿于整個(gè)制造過(guò)程，對(duì)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(cuò)技術(shù)的目的是防止在生產(chǎn)中人為錯(cuò)誤的發(fā)生、盡早發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤并及時(shí)糾正，以簡(jiǎn)單方法、較低成本來(lái)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(huì)出現(xiàn)刀具補(bǔ)償參數(shù)人工設(shè)定出錯(cuò)的低級(jí)失誤?；诖?，提出一種防錯(cuò)技術(shù)：把防錯(cuò)法融入數(shù)控編程中，在程序中增加判斷功能，提前識(shí)別刀具補(bǔ)償人工設(shè)定錯(cuò)誤，并對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行提醒、警示，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)防錯(cuò)。

2 刀具補(bǔ)償參數(shù)設(shè)定防錯(cuò)功能開發(fā)

現(xiàn)場(chǎng)的防錯(cuò)措施通常是在機(jī)床面板上粘貼提示性的文字，但操作人員長(zhǎng)時(shí)間后就會(huì)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(jìn)行刀具補(bǔ)償參數(shù)設(shè)定防錯(cuò)技術(shù)的開發(fā)：在機(jī)床讀入當(dāng)前主軸刀具的補(bǔ)償參數(shù)后、數(shù)控加工程序段運(yùn)行前，在程序中增加刀具補(bǔ)償參數(shù)設(shè)定防錯(cuò)功能，通過(guò)程序?qū)Ξ?dāng)前主軸刀具補(bǔ)償參數(shù)的人工設(shè)定值進(jìn)行自動(dòng)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(bào)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(dòng)程序來(lái)完成后續(xù)加工。

如圖1所示，刀具補(bǔ)償參數(shù)人工設(shè)定的防錯(cuò)主要通過(guò)在數(shù)控程序中增加對(duì)刀具補(bǔ)償參數(shù)（長(zhǎng)度、半徑）自動(dòng)讀取、比較、錯(cuò)誤報(bào)警等功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體功能展開如下：

圖1 數(shù)控刀具補(bǔ)償參數(shù)設(shè)定防錯(cuò)功能模型圖

（1）讀取功能：在機(jī)床讀入當(dāng)前主軸的刀具補(bǔ)償參數(shù)值后、數(shù)控加工運(yùn)行前，通過(guò)程序自動(dòng)讀取西門子系統(tǒng)變量的方式來(lái)獲得當(dāng)前主軸刀具的長(zhǎng)度、半徑補(bǔ)償值。

（2）比較功能：在生產(chǎn)準(zhǔn)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(zhǎng)度理論值及長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)，主要通過(guò)對(duì)讀取的當(dāng)前主軸刀具的長(zhǎng)度、半徑值分別與該刀理論長(zhǎng)度和半徑值進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，然后將計(jì)算得到的差異值與預(yù)警值進(jìn)行條件判斷以評(píng)估當(dāng)前主軸刀具長(zhǎng)度、直徑人工設(shè)定是否正確。

（3）錯(cuò)誤報(bào)警：若刀具長(zhǎng)度、半徑差異值均處于預(yù)警范圍內(nèi)，機(jī)床正常執(zhí)行加工程序；若刀具長(zhǎng)度或半徑差異值超出預(yù)警范圍，機(jī)床停機(jī)報(bào)警，并在機(jī)床面板上顯示刀具補(bǔ)償參數(shù)人工設(shè)定錯(cuò)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(bǔ)償參數(shù)設(shè)定防錯(cuò)程序開發(fā)

通過(guò)綜合運(yùn)用西門子系統(tǒng)的系統(tǒng)變量、邏輯運(yùn)算、條件判斷、程序跳轉(zhuǎn)和報(bào)警提示等編程指令來(lái)完成刀具補(bǔ)償參數(shù)設(shè)定防錯(cuò)程序的開發(fā)，可將其作為獨(dú)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(bǔ)償參數(shù)設(shè)定防錯(cuò)程序的開發(fā)流程。

圖2 刀具補(bǔ)償參數(shù)設(shè)定防錯(cuò)程序開發(fā)流程圖

3.1 讀取刀具補(bǔ)償參數(shù)值

每把數(shù)控刀具加工前，機(jī)床會(huì)自動(dòng)讀取當(dāng)前主軸的刀具長(zhǎng)度、半徑補(bǔ)償值。其中，刀具的參數(shù)補(bǔ)償值需人工事先輸入機(jī)床的刀具補(bǔ)償寄存器中，防錯(cuò)程序通過(guò)讀取系統(tǒng)變量來(lái)獲取上述刀補(bǔ)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(bǔ)償參數(shù)設(shè)定防錯(cuò)程序中，當(dāng)前主軸刀具的長(zhǎng)度、半徑補(bǔ)償值編程表達(dá)式分別為：$TC_DP3[$P_TOOLNO,$P_TOOL]、$TC_DP6[$P_TOOLNO,$P_TOOL]。為便于數(shù)據(jù)計(jì)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(zhǎng)度、半徑補(bǔ)償值分別賦于不同的R參數(shù)。

3.2 刀具補(bǔ)償實(shí)際值與理論值差異比較

在讀入當(dāng)前主軸刀具的補(bǔ)償參數(shù)后、加工程序段運(yùn)行前，在防錯(cuò)程序中增加條件判斷功能：將機(jī)床讀取到的當(dāng)前主軸刀具的長(zhǎng)度值、半徑值分別與該刀理論長(zhǎng)度和理論半徑值進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)限定條件來(lái)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(bǔ)償實(shí)際值與理論值差異的條件判斷編程見表3。

表3 編程及說(shuō)明

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

3.3 刀具補(bǔ)償實(shí)際值超差報(bào)警

若人工設(shè)定的刀具長(zhǎng)度或半徑差異值大于預(yù)警值，會(huì)在機(jī)床面板上顯示報(bào)警信息并終止加工程序；若人工設(shè)定的刀具長(zhǎng)度、半徑差異值均小于預(yù)警值，機(jī)床會(huì)繼續(xù)執(zhí)行加工程序。在刀具補(bǔ)償設(shè)定防錯(cuò)程序中，通過(guò)在機(jī)床加工界面顯示錯(cuò)誤提示信息來(lái)引導(dǎo)操作人員重新正確設(shè)定刀具補(bǔ)償值。其中，編程見表4。

表4 編程及說(shuō)明

4 刀具補(bǔ)償參數(shù)設(shè)定程序防錯(cuò)技術(shù)驗(yàn)證

刀具補(bǔ)償參數(shù)設(shè)定防錯(cuò)程序開發(fā)完成后，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證以評(píng)估其防錯(cuò)效果。

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

表5 加工實(shí)例說(shuō)明

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

主程序代碼如下：

刀具補(bǔ)償參數(shù)設(shè)定防錯(cuò)子程序代碼如下：

（3）刀具補(bǔ)償參數(shù)設(shè)置防錯(cuò)程序驗(yàn)證

當(dāng)鉆孔主程序開始運(yùn)行至N70行，進(jìn)入刀具補(bǔ)償參數(shù)設(shè)置防錯(cuò)子程序TOOLCHECK（圖3）：該子程序?qū)⑴袛喈?dāng)前主軸的刀具長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)設(shè)定的差異預(yù)警值（R4=0.5 mm）（圖5），執(zhí)行N70行并在機(jī)床面板上顯示設(shè)定錯(cuò)誤的報(bào)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(guò)預(yù)警值（R7），執(zhí)行N130行并在機(jī)床面板上顯示設(shè)定錯(cuò)誤的報(bào)警信息，在暫停10 s后終止程序。反之，若刀具長(zhǎng)度、半徑的人工設(shè)定均正確，程序自動(dòng)執(zhí)行N170行、退出防錯(cuò)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(jìn)入刀補(bǔ)設(shè)置防錯(cuò)子程序

圖4 事先人工設(shè)定的刀具長(zhǎng)度（錯(cuò)誤）、刀具半徑值（正確）

圖5 防錯(cuò)程序計(jì)算分析得出刀具長(zhǎng)度人工設(shè)定超差

圖6 機(jī)床面板上顯示刀具長(zhǎng)度人工設(shè)定出錯(cuò)警示信息

在實(shí)際使用中，為簡(jiǎn)化程序，可將刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償設(shè)定防錯(cuò)程序作為一個(gè)通用的子程序使用，獨(dú)立存儲(chǔ)于數(shù)控機(jī)床中：僅需在數(shù)控主程序中設(shè)定刀具長(zhǎng)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(guò)直接調(diào)用該防錯(cuò)子程序就能對(duì)刀具參數(shù)補(bǔ)償?shù)娜斯ぴO(shè)定值進(jìn)行自動(dòng)判斷，提前識(shí)別人工錯(cuò)誤并報(bào)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(yǔ)

針對(duì)車間生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中經(jīng)常發(fā)生的由于刀具補(bǔ)償參數(shù)人工設(shè)定錯(cuò)誤造成刀具損毀、機(jī)床碰撞等安全事故且無(wú)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(bǔ)償參數(shù)設(shè)定程序防錯(cuò)技術(shù)，開發(fā)出通用的刀具補(bǔ)償參數(shù)設(shè)定防錯(cuò)程序，通過(guò)直接調(diào)用防錯(cuò)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)刀具補(bǔ)償人工設(shè)定值的自動(dòng)判斷、超差提醒，具有方法簡(jiǎn)單、成本低及高效可靠的優(yōu)點(diǎn)。

實(shí)踐表明，在某生產(chǎn)車間導(dǎo)入并實(shí)施刀具補(bǔ)償參數(shù)設(shè)定程序防錯(cuò)技術(shù)后，防錯(cuò)的有效率達(dá)到100%，實(shí)施效果顯著。同時(shí)，開發(fā)的刀具補(bǔ)償參數(shù)設(shè)定程序防錯(cuò)技術(shù)達(dá)到自動(dòng)化、強(qiáng)制性的預(yù)期效果，在生產(chǎn)中具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。