一种数控机床刀具自动识别系统的设计与实现

张爱红

（无锡职业技术学院，无锡 214121）

0 引言

随着制造企业的发展，数控机床与刀具数量、品种的增加，传统的机床刀具管理方式已不能满足企业信息化、智能化发展的需要。为了快速、准确的识别刀具、更新刀具偏置值，将射频设备应用于机床刀具管理已成为机床用户的新选择。目前刀具自动识别主要有两种方式：1）采用PC或PLC与RFID处理器的通信，再由PC或PLC与机床通信交换信息[1,2]；2）采用机床与RFID处理器直接通信。相比较而言，后者无需额外配置PC、PLC等设备，具有通信环节简化，成本低等优点，是机床用户的首选方案。文中以巴鲁夫处理器与FANUC 0i MD数控加工中心的直接通信为例，给出了系统硬件组成、总线参数配置、PMC编程方法，基于此实现了数控刀具的自动识别与刀偏数据的自动录入，为机床刀具智能化管理提供了新思路。

1 系统开发

1.1 系统组成

用于工业识别的巴鲁夫RFID处理器支持Profibus，Profinet，DeviceNet等多种接口，系统设计时选用了支持Pro fi bus DP通信的处理器模块（BIS M-6002-019-050-03-ST11），将机床配置为通信主站，处理器为从站。读写头与处理器采用电缆连接，可直接读写安装于刀柄中的编码块数据，系统组成如图1所示。

图1 系统组成框图

1.2 现场总线通信参数配置

为了确保数控机床与外部设备的总线通信，需要正确配置两者间的通信参数。与FANUC数控机床配置为通信从站相比[3]，主站配置较为复杂，需设置项包括：总线参数、子表、子单元参数、模块数据、输入输出缓冲区、运行方式等。目前有两种设置方法[4]：一是借助于软件CNC Setting Tool，二是手动在线设定。考虑到配置方法的通用性，文中以机床侧输入输出缓冲区、用户参数数据的手动设定说明其配置要点。

1）输入输出缓冲区

数控机床与巴鲁夫处理器的数据交换是通过机床PMC输入输出缓冲区数据传送来实现的，分为读写两种不同操作。写数据时，PMC将数据发送至输出缓冲区；读数据则由PMC从输入缓冲区取数据。配置输入输出缓冲区前需先设定模块数据（MODULE DATA），巴鲁夫M60x2处理器设备文件（Bal608EE.gsd）给出了模块数据的范围：4～128字节，也就是可配置的输入输出缓冲区大小。对于64字节的输入输出模块，16进制的模块数据为：0x40，0x5F，0x80，0x5F，需将上述数据设置到“模块数据”页面，如图2(a)所示。设置时先将长度设为4，表示模块数据占用4个字节，再将偏移设为ON，最后输入模块数据：40，5F，80，5F。

根据模块数据的设置，输入输出缓冲区大小均为64字节，需要连续编址且不能占用机床已使用的内部继电器。图2(b)给出了DP主站侧的设置：从站（处理器）总线地址为3，插槽为0，机床PMC侧输入输出缓冲区首址设为R1000（DI）与R1100（DO），字节数（SIZ）为64，结果输入缓冲区配置为R1000～R1063，输出缓冲区为R1100～R1163。

图2 模块数据与DI/DO设置

2）用户参数数据（USER PRM DATA）

考虑到所选处理器带两个读写头，前文配置的64字节为两个读写头缓冲区的总和。读写头1缓冲区大小由用户参数数据第6个字节设定，剩余字节自动分配给读写头2。用户参数数据的缺省值为：0x00，0x80，0x00，0x82，0x00，0x02，实际使用时需修改第6字节，为0x10时表示将读写头1的输入输出缓冲区设为16字节，剩余48字节自动分配给读写头2。系统中只配置了一个读写头，实际用于数据传输的输入缓冲区为：R1000～R1015，输出缓冲区为：R1100～R1115。缓冲区的首尾字节为位头（Bit Header），用于数据传输时的节拍控制。位头的数量可由用户参数数据第4字节的第8位设定，缺省值为1时表示使用首尾位头，此时系统可用于数据传送的字节数（带宽）为14。

1.3 机床PMC通信编程

机床与巴鲁夫处理器通信采用对话式的协议序列，具体如下：1）PMC发送命令标识码、数据地址与字节数等，并置位输出缓冲区AV信号，通知处理器输出数据有效、传送作业启动；2）处理器接收到信号后置位AA信号；3）如果双方传送的数据超出14字节长，还需使用TI、TO位以及计数器完成附加数据的传送；4）处理器操作完成后将置位AE信号；5）PMC接受数据后将复位AV信号；6）最后处理器复位AA、AE信号，准备后续作业的传送。其中AV、AA、AE、TI、TO等为输入输出缓冲区位头信号。

1.3.1 输入输出缓冲区位头信号定义

通过读写输入输出缓冲区首尾字节位信号实现数据的传送控制。输入缓冲区的首尾字节位表示识别系统（BIS）的状态，输出缓冲区首尾字节位则用于命令控制。根据系统输入输出缓冲区的设定给出了位头信号的定义，如表1所示。

1.3.2 编码块数据读写例程

本系统只使用编码块前10个字节存放数据，编码顺序为：刀具号，刀具直径，刀具长度，刀具直径磨损量，刀具长度磨损量，每个数据占用两个字节。读操作时，安装编码块的刀柄进入读写头识别区域时，系统自动读取刀具数据，并调用窗口功能将刀具数据写入刀偏表。写操作时，系统将PMC数据表中指定数据写入编码块，实现刀具数据的快速更新。刀柄编码块数据的读、写控制均通过PMC编程实现。

1）读取编码块数据

基于机床与处理器的通信时序要求，读控制流程如下：（1）将机床面板上的闲置按键（例：X0.6）定义为读操作切换键，在识别系统就绪时按下该键，使保持型继电器K11.0置位，K11.1复位，系统处于读使能状态；（2）判断输入缓冲区首尾字节是否一致，一致时将内部继电器R1410.0置位；（3）编码块出现在读写头识别区时，发送读命令码0x01→R1101，0x00→编码块数据低位开始地址R1102，0x00→编码块数据高位开始地址R1103， 0x0a→编码块数据低位字节数R1104，0x00→编码块数据高位字节数R1105；同时置位输出缓冲区位头信号AV、AV2；（4）当AE信号置位时，将输入信号传送至数据表（如图3所示）；（5）置位读操作结束信号R1410.5；（6）调用窗口功能指令WINDW，将数据写入刀偏表。

表1 输入输出缓冲区位头信号

图3给出了部分输入信号的传送过程。程序执行结果将输入缓冲区R1001～R1002数据直接传送至数据寄存器D206～D207，而缓冲区R1003～R1004数据经中间变量D400乘1000后传送至D210～D213。

图3 数据传送例程

在调用窗口功能指令前，需定义写入刀偏的数据表。以写入刀具直径为例，新增数据表的首地址为D200，如图4(a)所示，数据构成如图4(b)所示。写入刀具几何直径偏置值的功能代码为14，结束代码无需设定；考虑到应用数据表写入刀偏量的单位为微米，数据长度需占用4字节。偏置号为读取的刀具号（10）；偏置类型设为1时，表示写入刀具直径值。窗口指令执行后，数据写入刀偏表。

图4 PMC数据表设置

2）写入编码块数据

与读编码块数据相比，写操作无需调用PMC窗口功能，但在数据传送中需要调用TI信号，其控制流程如下：（1）将机床面板上的+X、-X手动按键同时按下时定义为写操作控制键，目的使K11.0复位、K11.1置位，系统处于写使能状态；（2）接着判断输入缓冲区首尾字节是否一致，一致时内部继电器R1410.1接通；（3）编码块出现在读写头识别区时，发送写命令码0x02→R1101，0x00→编码块数据低位开始地址R1102，0x00→编码块数据高位开始地址R1103，0x0a→编码块数据低位字节数R1104，0x00→编码块数据高位字节数R1105；同时置位输出缓冲区位头信号AV、AV2；（4）AA状态位为1时，将预置数据表（例如D300）开始的刀具号、直径值、长度等传送至输出缓冲区；（5）取反TI信号位，数据输出启动；（6）查询处理器命令完成信号AE，AE为1时复位AV信号，数据传送结束。

2 结束语

将巴鲁夫处理器用于数控机床刀具的自动识别，可实现刀具数据的自动录入与更新，与人工操作相比，既可缩短数据输入的时间，又可防止手工输入的误操作，从而提高了机床的运行效率，是刀具管理自动化与智能化发展的趋势。