數控加工中心刀具識別系統(tǒng)原理及應用
2022-7-21 來源：上汽通用五菱汽車股份有限公司 作者：覃華漢 潘海銘 唐軍
摘要：機械加工由普通的機床到數控機床加工，再到現(xiàn)在普遍的數控加工中心進行加工，而數控加工中心與數控機床最大的區(qū)別在于自動換刀系統(tǒng)。加工中心的自動換刀系統(tǒng)得益于刀具識別系統(tǒng) , 刀具識別系統(tǒng)能夠把刀具所有的信息傳遞到機床主機。本文闡述加工中心刀具如何進行識別處理，識別系統(tǒng)的工作原理及實際現(xiàn)場的應用。
關鍵詞：數控加工中心 刀具識別 實際運用
1、引言
現(xiàn)代自動控制領域沒有自動化的識別是無法想象的。自動化識別技術有很多方法：條形碼、機械編碼、微波技術、或者感應識別技術。要從以上的方法中作出一個正確的選擇并不容易，但是實踐證明感應式識別技術是一個行之有效的方法，特別是應用于生產和裝配領域。感應式原理能夠保證在惡劣的周圍環(huán)境下有效工作，非接觸式的工作方式確保了系統(tǒng)的高可靠性和穩(wěn)定性，感應式識別技術是在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場應用的正確選擇。
2、識別硬件系統(tǒng)
識別硬件系統(tǒng)由編碼塊、讀寫頭、處理器組成。編碼塊：接收能量信號作為其電源，并將其數據以脈沖調制信號傳輸給讀 / 寫頭。讀寫頭：同編碼塊進行數據傳輸，發(fā)送70k Hz 的能量信號并接收從編碼塊傳回的數據信號。能量信號上帶有載波，能夠同時將數據寫入編碼塊的存儲器。處理器：控制編碼塊和讀 / 寫頭之間的雙向數據傳輸，并作為緩沖存儲器。處理器好比上位機和編碼塊之間的橋梁。
圖1 讀寫系統(tǒng)硬件組成
3、識別系統(tǒng)工作原理
讀寫頭通過電磁感應非接觸式讀 / 寫編碼塊信息，并將讀取刀具信息傳輸到處理器進行緩存，處理器通過現(xiàn)場 Profibus 總線與機床 PC/PLC 進行通訊，將數據輸送存儲在PLC 中。
圖2
3.1 數據的讀取和寫入
要執(zhí)行讀取或寫入作業(yè)，編碼塊必須位于讀寫頭的活動區(qū)域。讀寫作業(yè)具有以下序列：
a.PLC 將以下內容發(fā)送至輸出緩沖區(qū)：- 指令指示符至子地址 01Hex，- 讀 取 或 寫 入 的 起 始 地 址 至 子 地 址02Hex/03Hex，- 讀 取 或 寫 入 的 字 節(jié) 數 至 子 地 址04Hex/05Hex，- 字節(jié)頭中的 CT 位，根據編碼塊類型（緩沖區(qū)大小），- 并將字節(jié)頭中的 AV 位設定為高位。b. 處理器：- 接收請求（輸入緩沖區(qū)字節(jié)頭中的 AA位設定為高位），- 開始傳送數據；讀取＝從編碼塊到輸入緩沖區(qū)，寫入＝從輸出緩沖區(qū)到編碼塊。更多的數據以數據塊的形式發(fā)送 （帶第 2 字節(jié)頭的緩沖區(qū)大小＝緩沖器大小 -2），（不帶第 2 字節(jié)頭的緩沖區(qū)大小＝緩沖器大小 -1）。2 個字節(jié)頭中的轉換字節(jié)用來作為 PLC和處理器之間的一種數據交換。c. 處理器已正確地處理指令（輸入緩沖區(qū)字節(jié)頭里的 AE 位）。如果在執(zhí)行指令過程中發(fā)生故障，則故障代碼將寫入輸入緩沖區(qū)的子地址 01Hex 并且輸入緩沖區(qū)字節(jié)頭的AF 位將會重設。
3.2 編碼塊與讀 / 寫頭之間的關系
編碼塊與讀 / 寫頭之間通過電磁感應非接觸式進行數據交換，編碼塊所需電源也由與讀 / 寫頭之間的電磁耦合提供，所以讀 /寫頭與編碼塊之間正確可靠傳輸數據的關鍵在于特定的空間距離內，讀 / 寫頭與編碼塊之間應保證充分的數據讀寫時間。對于靜態(tài)（設置參數：第 2 字節(jié)第 5 位 =0）讀寫過程而言，編碼塊在讀寫頭前完全禁止，這就允許它們兩者之間能有一個較大的空間距離。對于動態(tài)（設置參數：第 2 字節(jié)第 5 位 =1）過程而言，編碼塊要在很短的時間內被讀或寫，必須有一個較短的空間距離以保證有足夠大的讀 / 寫通道。每個讀寫頭有與之配套的編碼塊（它們之間的配對取決于物理尺寸的大小和天線區(qū)域的結構），讀 / 寫頭與編碼塊之間的距離和允許的水平偏移量如圖 3。
圖3
4、現(xiàn)場的應用
4.1 刀具識別
將編碼塊通過膠水鑲嵌粘到刀柄上，編碼塊寫好刀具信息，主要包括：刀號、識別號、刀具實際長度、刀具實際半徑、長度公差、最大允許的使用壽命、實際刀具壽命 \ 實際使用頻率、刀具狀態(tài)、刀具切割半徑、刀具測量狀態(tài)、刀具重量、測量單位、刀具磨損長度、刀具半徑磨損量、大刀具標識、刀具長度補償值等。讀寫頭安裝在刀庫的入口處，刀具裝刀入庫前會將刀具信息讀入 CNC 系統(tǒng)，刀具從刀庫取出時會把數據寫入刀庫中，從而完成刀具信息的讀與寫過程，從加工準備到加工過程，整個生產過程中進行不間斷的數據信息流。
圖4 正在讀取刀具信息
圖5 內嵌編碼塊的刀具
4.2 經驗總結
機床在裝 / 卸載刀具過程經常發(fā)生刀具信息讀取失敗故障，最主要有兩個原因：（1）距離調得太近導致干涉磨損讀寫頭。（2）距離調得太遠無法讀取。根據現(xiàn)場故障總結經驗得出最終標準距離為 1mm ≤ M ≤ 1.5mm數據傳輸最佳。
5、結語
通過本文了解刀具識別系統(tǒng)的硬件組成、元件的作用及整個系統(tǒng)的工作原理，認識了編碼塊無需電源和數據備份，讀寫頭無需精確安裝定位，在快速運動中就可以對編碼塊進行讀寫。在調整讀寫頭與編碼塊的距離過程中有了參考值，不至于調整距離出現(xiàn)問題導致故障發(fā)生，也可以縮短該系統(tǒng)故障的處理時間。
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