西門子 828D 刀庫功能解析及實現
2023-12-15 來源： 一拖（洛陽）柴油機有限公司 作者：張 鋒，馬金衛等
摘要：刀庫換刀功能是數控加工中心一個不可或缺的功能，闡述西門子 828D 數控系統刀庫功能所需的參數和數據表的含義，換刀步驟的命令和響應過程，用實際改造項目進行輔助說明。
關鍵詞：828D；刀庫；加工中心；刀具管理
0 引言
一拖（洛陽）柴油機公司一臺 ARROW500 加工中心故障率高，為了解決問題決定用西門子 828D 系統代替原有定制數控系統。整個改造過程中，實現換刀功能是難度最大的部分。為實現刀庫換刀功能，技術人員查閱大量資料，投入大量時間和精力。要實現換刀功能，首先要弄明白西門子 828D 數控系統換刀過程中的數據傳遞，以及相關參數的含義。
1、換刀功能技術研究
全新的 828D 數控系統默認沒有“刀具管理”界面，需要運行刀庫初始化文件 MAG_CONF.SPF 進行刀庫初始操作，刀庫初始化步驟在《828D 簡明調試手冊》有詳細介紹，按照步驟操作即可。換刀子程序 L6.SPF 使用西門子提供的標準程序，根據手冊復制到指定位置即可。
然后根據實際情況設定相關參數：MD10715［0］、MD10716［0］、MD10717、MD10760、MD20270、MD22550、MD22560、MD20310（bit9）、MD52270（bit7、bit8、bit9）、MD30600［0］、MD30600［1］和MD30600［2］。參數具體含義參考《SINUMERIK 828D，SINAMICS120 機床數據參數手冊》。
刀庫功能的實現是數控系統、PLC 程序、刀庫檢測信號之間精準配合完成的。換刀過程中，每一步都是由 NCK 發出動作開始命令，由 PLC 發出動作完成的應答信號來結束該步，NCK 進入下一步。
1.1 建立傳輸/響應步驟表
描述一個刀具的移動需要一個源地址和一個目標地址。新刀是要換上主軸的，目標地址是固定的，就是主軸。新刀的源地址是刀庫，但是刀位號是隨機的，可以是任意一個刀位。舊刀是要換回刀庫的，源地址是固定的，就是主軸。舊刀的目標地址是刀庫，但是刀位號是隨機的，可以是任意一個刀位。
在 PLC 程序中添加 3 個系統 DB 塊，DB9900（常量傳遞表）、DB9901（變量傳遞表）和 DB9902（響應表），在表中定義刀具或刀庫的所有可能的狀態。
1.1.1 DB9900 常量傳遞表
DB9900 常量傳遞表列舉換刀過程中刀具經歷的刀庫變化，例如待換刀臂刀庫的刀具從刀庫到主軸，依次經歷刀庫（真實刀庫）、換刀臂（緩沖區 2，西門子把緩沖區也看作一個刀庫）、主軸（緩沖區 1），刀具經歷的刀庫和刀位在后面詳細介紹。
設計 DB9900 常量傳遞表的步驟要點：
單獨設計新刀移動的步驟，即刀具從刀庫到主軸的過程步驟。例如，帶換刀臂的刀庫，新刀移動到主軸有兩步：刀庫→換刀臂、換刀臂→主軸。
單獨設計舊刀移動的步驟，即刀具從主軸到刀庫的過程步驟。例如，帶換刀臂的刀庫，舊刀移動到主軸有兩步：主軸→換刀臂、換刀臂→刀庫。
DB9900 的步驟數=新刀移動的步驟數+舊刀移動的步驟數。因此帶換刀臂刀庫的換刀步驟有 4步。
1.1.2 DB9901 變量傳遞表
DB9901 變量傳遞表列舉刀具在真實刀庫中刀位的變化，一般都是把目標到位號調到可以離開刀庫的位置，步驟比較少，步驟號從 101 開始與 DB9900 步驟號從 1 開始不同。
1.1.3 DB9902 響應表
DB9902 響應表的步驟不是每次換刀都全部執行，而是根據主軸無刀抓新刀、主軸有刀換刀、還刀 3 種情況執行不同的步驟，響應對應的信號即可完成換刀過程。
DB9902 響應表建立要點：
建立響應表應該窮舉出主軸無刀抓新刀、主軸有刀換刀、還刀這 3 種刀庫動作的所有狀態。有共同的狀態合成同一步，不同的狀態需要全部列舉出來放入 DB9902 中。每一步都要指明新刀和舊刀的動作，如果沒有動作，起始值設為零。
響應表中的新/舊刀要執行相應的動作，動作起始值填寫DB9900 中編寫動作步驟的步驟號。
刀庫結構越復雜，換刀的中間狀態越多，建立的響應表步驟越多。
響應表還要建立刀庫旋轉的步驟和換刀終止的步驟。刀庫旋轉舊刀沒有動作，新刀動作的起始值要和 DB9901 中相應動作的步驟號相同。
真實刀庫中的某個刀位用刀位號表示，但是刀庫中的刀位往往較多，很難逐個列出。所以用“0，1”代表新刀源地址，實際地址在 DB4300.DBW6 和 DB4300.DBW8 中；用“0，2”代表舊刀目標地址，實際地址在 DB4300.DBW18 和 DB4300.DBW20 中。在緩沖區中用“9998，1”代表主軸，“9998，2”代表卡爪 1，“9998，3”代表卡爪 2。一般刀庫裝刀點都是主軸，用“9999，1”表示，如果還有第二裝刀點，則用“9999，2”表示。
1.2 自動換刀命令和應答
刀庫換刀相關命令讀取地址見表 1。
表 1 自動換刀命令信號接口
DB4300.DBX0.0 是命令位，代表當前有命令。DB4300.DBB1中的每一位對應不同的命令內容。
自動換刀過程中，DB4300.DBX1.0~DB4300.DBX1.6 中的信號來自 NCK，結合換刀程序的信息和刀具管理表的實際情況，向 PLC 發出不同的信號。例如：換刀程序執行時主軸上無刀，則DB4300.DBX1.4 置 1；執行換刀程序 T0，則 DB4300.DBX1.3 置1；換刀執行到需要刀庫旋轉找刀時，DB4300.DBX1.2 置 1。
正常情況下換刀程序執行 M206 指令后，DB4300.DBX1.1一直置 1，刀庫換刀位的刀號和主軸上刀具的原刀位不相同時，DB4300.DBX1.1 不會置 1，還有其他條件也可能導致 DB4300.DBX1.1 不會置 1，需要多加觀察。
自動換刀各個步驟應答地址見表 2。
表 2 自動換刀應答信號接口
表 2 中數字對應 DB9902 中的步驟數。例如 DB4200.DBX0.1中 1，對應 DB9902 中的第 1 步，當換刀過程中執行到 DB9902中的第 1 步，如果 PLC 將 DB4200.DBX0.1 置 1，表示 DB9902 中的第 1 步完成，否則刀具管理表認為這一步沒有完成，不會進行下一步動作。
響應信號使用置位線圈（S），其接通后，在下一個 PLC 掃描周期自動復位，因此不需要復位的 PLC 程序。
響應信號存在的實際非常短暫，只有一個 PLC 掃描周期，因此在 PLC 程序監控中看不到響應信號接通，需要添加輸出或者中繼點的置位線圈進行輔助顯示。
如果不借助輔助顯示信號，直接監控到一個響應信號一直存在，則表示該響應信號的命令沒有出現，先出現了響應信號。
這種情況下即使響應信號的條件已經不滿足，該信號在下一個PLC 掃描周期也不會自動復位，需要接通 DB4200.DBX9.0 來復人的思路，各有不同。主要說明 PLC 中傳送/響應步驟表的建立。
2.1 DB9900 常量傳遞表
由于 ARROW500 沒有換刀臂，換刀的步驟比較少。新刀移動步驟只有一步：刀庫→主軸；舊刀移動步驟也只有一步：主軸→刀庫。因此 DB9900 中只設計2 步就可以，ARROW500 的DB9900設置如圖 1 所示。
圖 1 ARROW500 的 DB9900 設置
步驟 1 表示刀具從刀庫到主軸的過程。其中 DB9900.DBW0 和DB9900.DBW2 的數值“0，1”代表源刀庫號和源刀位號。DB9900.DBW4 和 DB9900.DBW6 的數值“9998，1”代表目標刀庫號和目標刀位號，也就是主軸。
步驟 2 表示刀具從主軸到刀庫的過程。其中 DB9900.DBW8和 DB9900.DBW10 的數值“9998，1”代表源刀庫號和源刀位號，也就是主軸。DB9900.DBW6 和 DB9900.DBW8 的數值“0，2”代表目標刀庫號和目標刀位號。
2.2 DB9901 變量傳遞表
DB9901 主要顯示刀庫旋轉動作的步驟。ARROW500 的DB9901 數據如圖 2 所示。
圖 2 ARROW500 的 DB9901 設置
該步驟只有一步，從刀庫到主軸的數據傳遞。DB9901.DBW0和 DB9901.DBW2 中的數據“1，0”代表源刀庫號和源刀位號，表示刀庫中某個刀位，“0”會在 OLC 程序中修改為當前刀位號。DB9901.DBW4 和 DB9901.DBW6 的數值“9998，1”代表目標刀
庫號和目標刀位號，也就主軸。
2.3 DB9902 響應表
安裝每一步新刀和舊刀只有一個可以動作的原則，響應表窮舉刀庫換刀的所有可能步驟，斗笠式刀庫響應表設計見表 3。然后根據表使用填寫 DB9902 數據塊數據，ARROW500 中DB9902 響應表設置如圖 3 所示。
圖 3 ARROW500 中 DB9902 響應表設置
執行不同的步驟，響應對應的信號即可完成換刀過程。例如：
（1）主軸無刀抓新刀步驟順序（以表 3 中步驟為例）為：步驟5→步驟 3→步驟 2。
（2）主軸有刀換刀步驟順序為：步驟 4→步驟 5→步驟 3→步驟 2。
（3）還刀步驟順序為：步驟 4→步驟 2。
表 3 斗笠式刀庫響應表設計
3、結語
通過對西門子 828D 換刀功能的探索與實踐，順利完成ARROW500 加工中心的改造項目，并且對西門子數控系統的數據流有了更加深刻的認識，對與西門子數控系統的其他故障排除有很強的借鑒意義。
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