数控加工中心刀具识别系统原理及应用

覃华汉　潘海铭　唐军

摘 要：机械加工由普通的机床到数控机床加工，再到现在普遍的数控加工中心进行加工，而数控加工中心与数控机床最大的区别在于自动换刀系统。加工中心的自动换刀系统得益于刀具识别系统，刀具识别系统能够把刀具所有的信息传递到机床主机。本文阐述加工中心刀具如何进行识别处理，识别系统的工作原理及实际现场的应用。

关键词：数控加工中心 刀具识别 实际运用

Principle and Application of Tool Recognition System of CNC Machining Center

Qin Huahan，Pan Haiming，Tang Jun

Abstract：Machining is processed from ordinary machine tools to CNC machine tools， and then to the current CNC machining centers. The biggest difference between CNC machining centers and CNC machine tools is the automatic tool change system. The automatic tool change system of the machining center benefits from the tool recognition system， which can transmit all the information of the tool to the machine host. This article explains how the machining center tool recognizes the working principle of the recognition system and the actual field application.

Key words：CNC machining center， tool recognition， practical application

1 引言

现代自动控制领域没有自动化的识别是无法想象的。自动化识别技术有很多方法：条形码、机械编码、微波技术、或者感应识别技术。要从以上的方法中作出一个正确的选择并不容易，但是实践证明感应式识别技术是一个行之有效的方法，特别是应用于生产和装配领域。感应式原理能够保证在恶劣的周围环境下有效工作，非接触式的工作方式确保了系统的高可靠性和稳定性，感应式识别技术是在恶劣的工业现场应用的正确选择。

2 识别硬件系统

识别硬件系统由编码块、读写头、处理器组成。编码块：接收能量信号作为其电源，并将其数据以脉冲调制信号传输给读/写头。读写头：同编码块进行数据传输，发送70kHz的能量信号并接收从编码块传回的数据信号。能量信号上带有载波，能够同时将数据写入编码块的存储器。处理器：控制编码块和读/写头之间的双向数据传输，并作为缓冲存储器。处理器好比上位机和编码块之间的桥梁。

3 识别系统工作原理

读写头通过电磁感应非接触式读/写编码块信息，并将读取刀具信息传输到处理器进行缓存，处理器通过现场Profibus总线与机床PC/PLC进行通讯，将数据输送存储在PLC中。

3.1 数据的读取和写入

要执行读取或写入作业，编码块必须位于读写头的活动区域。读写作业具有以下序列：

a.PLC将以下内容发送至输出缓冲区：

-指令指示符至子地址01Hex，

-读取或写入的起始地址至子地址02Hex/03Hex，

-读取或写入的字节数至子地址04Hex/05Hex，

-字节头中的CT位，根据编码块类型（缓冲区大小），

-并将字节头中的AV位设定为高位。

b.处理器：

-接收请求（输入缓冲区字节头中的AA位设定为高位），

-开始传送数据;

读取=从编码块到输入缓冲区，

写入=从输出缓冲区到编码块。更多的数据以数据块的形式发送

（带第2字节头的缓冲区大小=缓冲器大小-2），

（不带第2字节头的缓冲区大小=缓冲器大小-1）。

2个字节头中的转换字节用来作为PLC和处理器之间的一种数据交换。

c.处理器已正确地处理指令（输入缓冲区字节头里的AE位）。如果在执行指令过程中发生故障，则故障代码将写入输入缓冲区的子地址01Hex并且输入缓冲区字节头的AF位将会重设。

3.2 编码块与读/写头之间的关系

编码块与读/写头之间通过电磁感应非接触式进行数据交换，编码块所需电源也由与读/写头之间的电磁耦合提供，所以读/写头与编码块之间正确可靠传输数据的关键在于特定的空间距离内，读/写头与编码块之间应保证充分的数据读写时间。对于静态（设置参数：第2字节第5位=0）读写过程而言，编码块在读写头前完全禁止，这就允许它们两者之间能有一个较大的空间距离。对于动态（设置参数：第2字节第5位=1）过程而言，编码块要在很短的时间内被读或写，必须有一个较短的空间距离以保证有足够大的读/写通道。每个读写头有与之配套的编码块（它们之间的配对取决于物理尺寸的大小和天线区域的结构），读/写头与编码块之间的距离和允许的水平偏移量如图3。

4 现场的应用

4.1 刀具识别

将编码块通过胶水镶嵌粘到刀柄上，编码块写好刀具信息，主要包括：刀号、识别号、刀具实际长度、刀具实际半径、长度公差、最大允许的使用寿命、实际刀具寿命＼实际使用频率、刀具状态、刀具切割半徑、刀具测量状态、刀具重量、测量单位、刀具磨损长度、刀具半径磨损量、大刀具标识、刀具长度补偿值等。读写头安装在刀库的入口处，刀具装刀入库前会将刀具信息读入CNC系统，刀具从刀库取出时会把数据写入刀库中，从而完成刀具信息的读与写过程，从加工准备到加工过程，整个生产过程中进行不间断的数据信息流。

4.2 经验总结

机床在装/卸载刀具过程经常发生刀具信息读取失败故障，最主要有两个原因：（1）距离调得太近导致干涉磨损读写头。（2）距离调得太远无法读取。根据现场故障总结经验得出最终标准距离为1mm≤M≤1.5mm数据传输最佳。

5 结语

通过本文了解刀具识别系统的硬件组成、各元件的作用及整个系统的工作原理，认识了编码块无需电源和数据备份，读写头无需精确安装定位，在快速运动中就可以对编码块进行读写。在调整读写头与编码块的距离过程中有了参考值，不至于调整距离出现问题导致故障发生，也可以缩短该系统故障的处理时间。

参考文献：

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[2]刘延吉.自动识别技术的发展和应用.《中小企业管理与科技.下旬刊》.2013年第07期.

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