基于蓝天数控系统刀具管理模块的设计与实现*

郭利姣，马 跃，吴文江,3，郑飂默,3

(1.中国科学院大学，北京 100049；2.中国科学院 沈阳计算技术研究所，沈阳 110168；3.沈阳高精数控技术有限公司，沈阳 110168)

基于蓝天数控系统刀具管理模块的设计与实现*

郭利姣1,2，马 跃2，吴文江2,3，郑飂默2,3

(1.中国科学院大学，北京 100049；2.中国科学院 沈阳计算技术研究所，沈阳 110168；3.沈阳高精数控技术有限公司，沈阳 110168)

刀具在数控加工中扮演着重要的角色，刀具的管理无论对数控机床加工中心的柔性制造和生产率，还是对产品的精密性和正确性都至关重要。文章系统分析了当前国内外刀具管理的现状，借鉴国际主流数控系统在刀具管理方面的先进技术和经验，在本研究所自主产品蓝天数控系统的基础上，设计实现了一套具有刀具管理基本功能、刀库管理和刀具寿命管理功能的刀具管理模块。数控系统在产品加工的过程中通过刀具管理模块能够对刀具进行统一管理，实时地对刀具进行监控，从而达到保证产品质量和生产安全，减少产品报废和停机时间，提高数控机床生产效率的目的。

数控系统 ;刀具管理 ;刀库 ;换刀

0 引言

制造业为国民经济的各行业提供制造方法、工具以及技术装备，具有重要的战略位置。作为制造资源的一部分，刀具管理系统是参与制造的重要辅助工具，对加工中心和数控机床的柔性、生产率以及产品制造的精密性和正确性有着重要的作用[1]。数控刀具由于其处在自动化程度非常高的数控设备中，使它具备了精度高、价格贵、结构复杂、加工专一等固有特征[2]。在机床加工过程中存在以下问题：车间操作员有20%的时间花在了切削刀具上；16%的生产计划因缺少合适的刀具而停止[3]。一般生产车间，尤其是在数控机床较多的生产环境里，刀具的数量巨大，其中的组件也相当复杂，信息繁多，由于生产加工的需要，刀具频繁地在刀具库和机床以及机床与机床之间流动和交换[4,9]。刀具管理系统可以实现信息的集成管理，减少刀具的库存积压、保证生产的顺利进行、获得最佳机床利用率和最高生产率等[5]。在制造业大规模生产的条件下，生产效率的提高已成为提高生产效益的首要选择：生产效率提高20%，制造成本减低约15%[6]。总之，从提高设备及刀具的利用率、加速新产品开发的生产准备过程，建立刀具管理系统无论是在学术方面还是实用方面都有重要的意义。本文借鉴国内外的先进技术和经验，对刀具管理的关键技术进行了深入的研究和分析，设计和开发了基于蓝天数控系统的刀具管理模块。

1 刀具管理概述

刀具管理功能保证在任何情况下，正确的刀具位于正确的刀位上，并且与刀具相关的数据能够做到及时更新。刀具管理功能适用于圆盘式刀库、链式刀库和阵列式刀库上的加工刀具，允许快速换刀，可以通过刀具监控来减少产品报废，还可通过使用备用刀具减少停机时间。刀具管理模块主要涉及到以下方面：刀具管理基本功能、刀库管理和刀具寿命管理以及换刀功能等。

刀具管理基本功能部分包括创建和删除刀具，为刀具分配刀刃，新增和删除刀刃，为刀刃分配刀补偿数据等功能。用户可以根据需要创建铣刀、钻、磨刀、车刀等各种类型的加工刀具。

刀库管理部分主要负责管理配置刀库和刀库刀位，装载、卸载和重定位刀具，提供多种刀具搜索、空刀位搜索策略来完成刀具查找和刀库定位功能，另外还涉及大小刀管理功能等。其中刀库刀位的状态可以为空、装载着普通刀具或者装载着大尺寸的刀具。

图1 刀具管理模块E-R图

刀具管理模块主要有两种刀刃寿命管理方法:刀刃寿命计时管理和产品工件计数寿命管理，用户可以根据需要设定一种刀刃寿命管理方法，在刀刃寿命达到极限值时及时更换可用刀具，保证生产安全和产品质量，减少产品报废[10]。

在刀具管理的过程中，刀具管理模块需要与数控系统进行交互，因此我们在刀具管理模块中设计了多个与数控系统交互的接口，以供数控系统调用来完成刀具管理的主要功能，如换刀功能，从而保证刀具数据的一致性，保证产品加工的正确性和精密性。

2 刀具管理模块设计与实现

2.1 刀具数据库的设计与实现

数控刀具种类、规格繁多，数量庞大，而即便是同一类刀具，其所具有的参数名称、参数数量和参数类型也不尽相同。选择合理的数据库存储方案，对于缩减存储空间，优化数据库的操作性能有着非常重要的意义[7]。本文实现的刀具管理模块的数据库采用关系数据模型，以实体—联系模型方法(E-R模型)来设计数据库的概念模型。图1是刀具管理模块的数据库实体关系图。

考虑到数控系统的实时性和负载问题，我们需要选择一种占用存储空间小，易管理的嵌入式数据库。针对系统的需求，本文选择SQLite3作为刀具管理模块的后台数据库。

2.2 主要功能的设计与实现

本文设计实现的刀具管理模块主要有刀具管理基本功能、刀库管理、刀具寿命管理以及换刀功能四个部分，刀具管理模块的功能结构图如图2所示。

图2 刀具管理功能结构图

2.2.1 刀具管理基本功能

多刀刃管理，一把刀具可以具有多个切削刃(刀刃)，每个刀刃对应一项刀刃补偿数据，为了实现多刀刃管理机制，我们刀具管理数据库中设计了刀具表、刀刃表和刀补表三个数据表。刀具表用来存放刀具的除刀刃外的基本数据，包括刀具名称、刀具类型、刀具状态、替换刀具编号、刀刃数目、刀具最大速度、刀具最大进给率等，刀刃表用来存放刀具切削刃的基本信息:包括刀刃对应的刀补编号、刀刃监控相关的数据等，刀补表用来存放所有的刀具补偿数据，不同的刀具类型对应不同刀具补偿参数。

大小刀管理，由于机床中进行机械加工的刀具的尺寸不尽相同，存在超大尺寸的刀具，为了实现对超大尺寸刀具的兼容管理本文设计了一套大小刀管理机制，针对刀具尺寸的不同，我们将刀具的尺寸分为7个层级，设定刀具的最大宽度和最大高度均为7，并且设定7种刀位大小类型，这7种刀位类型的相关参数可以在刀库刀位配置功能中对各个刀位类型层级进行相应设置，将其结果存储到数据库中的刀位类型层级表中。每把刀具对应一个刀位类型层级值，每个刀库刀位也对应一个刀位类型层级值，在装载和重定位刀具时，需参照刀具和刀位的大小类型层级值进行匹配，从而实现大小刀管理。

本文设计的刀具管理模块还实现了刀具的装载、卸载以及刀具重定位功能，刀具装载是指将一把刀具从装载点/装载站转移到真正的刀库上，装载后，刀具被分配到刀库的一个空刀位上。刀具卸载是指将一把装载于实际刀库的刀具转移到装载点/装载站上，刀具的装载和卸载都会实时更新刀具状态和刀库刀位数据。刀具重定位将一把刀具从刀库的某一个刀位转移到另一个刀位。

2.2.2 刀库管理

刀具管理过程中需要对装载刀具的各种刀库以及主轴和机械手进行管理，本文将刀库设计为实际刀库和内置型刀库两类，实际刀库包括链式刀库、阵列式刀库以及圆盘式刀库，内置型刀库包括缓冲刀库和装载型刀库，我们把每个主轴、机械手看作缓冲刀库的一个刀位，把每个装载站和转载点看作装载型刀库的一个刀位，从而对主轴、机械手和装载站进行统一管理。

本文设计的刀库管理功能主要涉及到刀库配置、刀库刀位配置，主轴和机械手以及装载站/装载点的参数配置等，例如需要配置刀库的刀具搜索策略、空刀位查找策略以及配置刀库刀位的大小类型层级等。

刀具搜索是对机床实际配置刀具的查找，以得出其所在刀位，实际的刀具主要存放在主轴、机械手、装载站以及实际的刀库刀位中，故刀具搜索主要对刀库刀位表进行操作[8]。本刀具管理模块采用的刀具搜索策略主要有active优先策略、替换优先策略、距离优先策略、最大监控搜索策略。

active优先策略是指从上次进行换刀的刀库进行查找，搜索所有刀库，直至找到第一把刀具状态为active的匹配刀具，找刀成功；替换优先策略也是从上次进行换刀的刀库进行查找，搜索当前刀库中状态为active的匹配刀具，否则，查找当前刀库中具有最小替换刀号的替换刀具，若在当前刀库仍未找到可用的刀具，则在其他的刀库中按相同的策略查找合适的刀具；距离优先策略总是以距离当前主轴最近的刀库为起点开始找操作，如果在最近的刀库未找到可用的刀具，接下来距当前主轴次近的刀库中进行找刀，以此类推，直到找到可用的刀具为止；最大监控策略是在待查找的刀库中搜索具有刀具监控量最大值的可用刀具。

本刀具管理模块采用的空刀位搜索策略主要有前向搜索、后向搜索和位置前向搜索，位置后向搜索以及位置对称搜索。

前向搜索总是从第一刀库的第一刀位进行前向搜索，后向搜索总是从最后一个刀库的最后一个刀位进行后向搜索，位置前向/后向搜索是指以当前刀库刀位为起点进行前向和后向搜索。位置对称搜索是指从当前刀库位置进行对称搜索可用空刀位。在一个刀库中进行空刀位搜索是以刀具的刀位大小层级值为根据的，每个实际的刀库刀位也拥有刀位大小层级值属性，在进行空刀位搜索的过程中要对刀具和刀位的刀位大小层级值进行匹配，刀库刀位的该属性值应该大于等于刀具的刀位大小层级值。

2.2.3 刀刃寿命管理

本文设计的刀刃寿命管理功能采用计时管理和计数管理两种方式。计时管理是通过监控刀刃的累计加工时间来完成的，而计数管理是通过监控的刀刃加工工件的个数进行管理的。

刀具寿命管理模块中与计时管理相关的参数为寿命设定值，寿命预警值和寿命剩余值。计时管理以分钟作为刀刃寿命的单位，寿命设定值为刀刃的最大加工累计时间，新建一把刀具时，其刀刃的剩余寿命值等于寿命设定值。在加工过程中，如果采用寿命计时对当前刀刃进行监控，数控系统每隔一分钟就会更新寿命剩余值令其减1，并且判断当前刀刃的寿命剩余值是否等于刀刃寿命下限，如果达到刀刃寿命时间下限则刀具管理模块就会更新当前刀刃的状态为“达到寿命预警值”，并且引发PLC报警。当寿命剩余值减到0时，刀刃的状态将会更新为“寿命结束”，PLC报警，禁用当前刀具刀刃。

刀具管理模块中与产品工件计数相关的参数为工件计数设定值、工件计数预警值和工件计数剩余值。工件计数设定值是指当前刀刃可加工的最大工件数量，当新建一把刀刃时工件计数剩余值等于工件计数设定值。如果刀刃选择工件计数作为寿命管理的方式时，每当对新的工件进行加工时，刀具管理模块就会更新工件计数剩余值参数令其减1，并且判断当前刀刃的工件计数剩余值是否等于刀刃工件计数下限，如果达到刀刃工件计数下限则刀具管理模块就会更新当前刀刃的状态为“达到寿命预警值”，并且引发PLC报警。当工件计数剩余减到0时，刀刃的状态将会更新为“寿命结束”，PLC报警，禁用当前刀具切削刃。

为了让用户能够方便对加工刀刃的寿命管理进行设置，我们对寿命管理中用到的用户指令设计如表1所示。

表1 刀具寿命管理用户指令

2.2.4 换刀功能

本文设计的换刀方式有两种：使用T指令换刀和使用M06进行换刀。对于车床上的转塔式刀库我们直接使用T指令进行换刀，而在链式、盘式和平面刀库中，换刀往往分为两个步骤：首先使用T指令在刀库中查找刀具，接着使用M指令将刀具换入主轴。T指令和M06进行换刀的句法如表2所示。

表2 换刀策略

T指令换刀策略中，T指令用于马上装载新刀具。而在M06换刀策略中，T指令用来准备新刀具，在机床加工的同时将新刀具移动到换刀位置。而M命令用来将旧刀具移除并将新刀具装载到主轴上，完成换刀动作。

换刀的过程中需要查找指定新刀具并且还要为旧刀具查找空刀位，涉及到实际刀库的刀具搜索策略和空刀位查找策略，上述功能我们已经在刀库管理中完成设计。

2.3 接口

为了实现刀具管理模块和数控系统之间进行交互，本文在数据库的基础上封装了多个供数控系统调用的接口，接下来列出几个主要的接口。

2.3.1 刀具数据操作接口

读取刀具基本数据

参数：刀具号TNo

返回值:刀具号为TNo的刀具记录字符串

接口：QString getTPRecord(int TNo);

更新刀具数据

参数:刀具号TNo,更新字段索引值index

更新值newValue

返回值:若更新成功，则返回true,否则返回false

接口: bool updateTP(int TNo,int index,QString newValue);

读取刀刃补偿数据

参数:刀具号TNo,刀刃编号 DrNo

返回值:刀具号为TNo的第DrNo号刀刃的补偿

数据字符串

接口:QString getDPRecord(int TNo,int DrNo);

更新刀刃补偿数据

参数:刀具号TNo,刀刃编号 DrNo,补偿参数索引值index,补偿参数新值 newValue

返回值: 若更新成功,则返回true，否则返回false

接口: bool updatedDP(int TNo,int DrNo,int index,QString newValue);

2.3.2 刀库数据操作接口

读取刀库描述信息

参数:刀库编号magNo

返回值:刀库编号为magNo的刀库基本信息字符串

接口:QString getMagInfo(int magNo);

更新刀库基本信息

参数:刀库编号magNo,刀库参数索引值index，参数字段新值newValue

返回值: 若更新成功，则返回true,否则返回false

接口: bool updateMagInfo(int magNo,int index,QString newValue);

读取刀库刀位基本信息

参数:刀库编号magNo,刀库刀位索引号 locIndex

返回值: 指定刀库刀位的参数字符串

接口: QString getLocInfo(int magNo,int locIndex);

更新刀库刀位基本信息

参数:刀库编号 magNo,刀库刀位索引号 locIndex,刀位参数字段索引值index,刀位参数字段更新值newValue

返回值:若更新成功,则返回true,若更新失败，则返回false

接口:QString updateLocInfo(int magNo,int locIndex,int index,QString newValue);

2.3.3 刀刃寿命操作接口

读取刀刃寿命计时参数

参数:刀具号TNo,刀刃号 NrNo

返回值:寿命计时参数字符串

接口:QString getLifeTimeInfo(int TNo,int NrNo);

更新刀刃寿命剩余时间值

参数:刀具号TNo,刀刃号NrNo

返回值:若更新成功,则返回true,若更新失败，则返回false

接口:bool updateLifeTimeValue(int TNo,int NrNo);

读取刀刃工件计数参数

参数:刀具号TNo,刀刃号 NrNo

返回值:工件计数参数字符串

接口:QString getWorkPieceCount(int TNo,int NrNo);

更新刀刃工件计数剩余值

参数:刀具号TNo,刀刃号NrNo

返回值:若更新成功,则返回true,若更新失败，则返回false

接口:bool updateWorkPieceCount(int TNo,int NrNo);

3 总结与展望

本文在研究国内外刀具管理系统功能和关键技术的基础上，针对本研究所的蓝天数控系统进行需求分析，设计并开发了基于蓝天数控系统的刀具管理模块，该模块具有刀具管理基本功能、刀库管理以及刀具寿命管理和换刀功能，通过系统试运行，刀具管理模块能够对机床加工过程中的刀具和刀库实施有效的管理，提高了工作效率和产品质量，基本达到了课题的预期目标，为国内刀具管理的研究做出了有益的尝试。虽然本文实现的刀具管理模块取得了阶段性的成功，但由于开发时间较短，系统必然存在一些缺陷和错误，需要通过大量的测试和实验来完善模块功能，使其早日实现产品化，从而提高国内数控加工过程中的机械刀具管理水平，减低购入成本，为我国现代制造业的发展贡献力量。

[1] 范牧昌.柔性制造系统中刀具管理系统的研究[J].现代机械.2001(3):40-42.

[2] 张明伟，包志国,高海辉.数控刀具管理数据库的开发及应用[J].CAD/CAM与制造业信息化，2004(3)：86-87.

[3] 施柏瑞，马晓峰.刀具管理系统Tool Expert[J].航空制造技术，2010(3):91-92.

[4] 张飞.数控刀具合理使用与管理[J].安徽冶金科技职业学院学报，2008(18):26-28.

[5] 林天义，严新民.集成环境下的刀具调度管理系统[J].组合机床与自动化加工技术，1995(4):26-30.

[6] 黄贯生，张永强，王笑.数控刀具管理系统的建设与发展[J].纺织机械，2007(1)：54-57.

[7] 郑飞，王时龙.数控加工刀具全生命周期智能化管理系统的研发与应用[D].重庆：重庆大学,2007.

[8] 黎明.一种基于PLC的通用型刀具管理软件的研究与实践[D].北京：清华大学，2004.

[9] 王俊民.数控车间刀具管理系统研究[J].商业文化(下半月).2011(8)：320.

[10] 宋娅萍，曹岩，王蕊，等.面向全生命周期的刀具管理系统研究[J].机械工程师,2008(10)：79-81.

(编辑 赵蓉)

Design and Implementation of Tool Management Module of Blue Sky CNC System

GUO Li-jiao1,2，MA Yue2，WU Wen-jiang2,3，ZHENG Liao-mo2,3

(1.Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 2.Shenyang Institute of Computing Technology ,Chinese Academy of Sciences , Shenyang 110168, China;)

Cutting tools play an important role in NC machining. No matter for the flexible manufacturing and productivity of NC machining center, or for the precision and correction of production, the management of the tools is very crucially important. This paper systematically analyzes the current research status of cutting tool management at home and abroad. After drawing lessons from the international mainstream NC system in tool management, we design and implement tool management module on Blue Sky NC system which is independent product of our research institute. It mainly contains three parts in this tool management module, which are basic function of tool management, the management of tool magazine and the management of tool life. Through the tool management module, NC system can monitor tool life precisely so as to ensure product quality and production safety, reduce product scrap and down time and improve production efficiency of NC machine.

NC system; tool management; tool magazine; tool change

1001-2265(2014)04-0071-05

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.04.019

2013-08-22

"高档数控机床与基础制造装备"国家科技重大专项(2013ZX04012-021)

郭利姣(1988—),男，河北邯郸人，中国科学院大学硕士研究生，研究方向为计算机技术，(E-mail)guolijiao@sict.ac.cn；马跃(1960—)，男，沈阳人，中国科学院沈阳计算技术研究所研究员，博士研究生导师，研究方向为数控技术和网络通信技术；吴文江(1963—)，男，沈阳人，中国科学院沈阳计算技术研究所研究员，博士研究生导师,主要研究方向为数控技术。

TH162;TG506

A