摘要：文章介绍工业机器人与数控机床结合的一种应用，将机器人搭配立式刀库，取代传统的机械式刀库，通过机器人运动进行主轴刀具的抓取和归还，特别针对刀具数量多，刀具长度大，刀具重量大的客户。提出新松机器人机构结合840Dsl系统实现自动换刀的方案，研究了新松机器人在西门子840Dsl刀库管理系统中的应用，给出新松机器人和数控系统相结合的自动化控制的具体实施方法，实现了机床刀具自动装卸运输功能。

关键词：新松机器人;西门子刀具管理;刀具自动交换

引言：PBC130D数控机床产品是中捷机床有限公司和沈阳新松机器人股份有限公司合作开发的一款新型产品，应内蒙古第一机械厂（项目甲方）委托，此产品需要208把刀具容量的刀库，其中有8把特殊刀具，质量大，重心偏，传统机械式刀库无法满足特殊刀具的抓取要求，并且价格昂贵。因此，选用新松公司生产的SR210型机器人替代传统机械式刀库，此款机器人的最大抓取重量是210kg，完全满足客户需求。

该机床配置西门子SINU-MERIK 840Dsl数控系统，840Dsl系统刀具管理功能十分强大，可以管理大量刀具和刀补数据，应用于不同种类的刀库，还可以自己根据刀库特点进行开发。数控系统连接机器人并且通过NC代码启动换刀。使用机器人换刀其优点在于刀库结构简单，能够承载大型刀具，针对尺寸长的刀具还便于实现路径避让，因而使换刀更加灵活快捷。将新松机器人应用于西门子840Dsl刀库管理系统中，取得了良好的效果，解决了换刀卡顿、换刀速度慢等问题，机器人刀库取代了传统液压刀库，不仅解决了更换长刀、重刀等传统液压刀库不好实现的问题，在价格上还有一定优势，有很好的应用前景。

1  840Dsl刀具管理功能的实现

1.1  840Dsl参数设定

使用西门子840Dsl刀具管理功能需要对数控系统参数进行设定。按照刀库配置表，对参数进行设定。

MD 18080： MM_TOOL_MANAGEMENT_MASK=BH

MD 18082： MM_NUM_TOOL=10

MD 18084： MM_NUM_TOOL_MAGAZINE=3

MD 18086： MM_NUM_MAGAZINE_LOCATION=15

MD 20310： TOOL_MANAGEMENT_MASK=1H

MD 22550： TOOL_CHANGE_MOD=1

MD 22560： TOOL_CHANGE_M_MODE=6

1.2  西门子840Dsl刀库界面配置

参数的设定只是给NC分配了相应的内存空间用于刀具管理，还需对刀库的配置进行组态。对于刀库配置组态有两种方式，一种方式是通过运行NC程序对系统变量进行赋值，另外一种方式是通过HMI-Ad-vanced的主画面中按软键“启动”（Start-up），进入启动调试子界面，按下右下角软键“刀具管理”（Toolman-agement）进入刀库组态界面，根据刀库配置对刀库进行组态。本项目使用第一种方式。

根据刀库容量， $TC_MPP5[1，2]=208 的数量可以改变，本项目刀库容量是208把刀具，所以$TC_MPP5[1，2]=208，另外还有一个主轴和两个机械手。

1.3   PLC接口信号应答

1.3.1   PLC-NCK数据接口说明

刀库管理功能是NC，PLC和HMI协调完成的，NC负责刀库管理，PLC负责控制刀库旋转、机械手动作和刀具位置移动等，HMI是刀库管理的显示界面。 刀库中刀具的变动有手动操作和自动换刀。

（1）DB71： DB71是用于手动刀具装载、卸载、重新定位、定位至换刀点时需要的接口信号数据块，其数据块长度与装载点的组态数量有关。手动操作是指操作者进行装刀（LOAD），卸刀（UNLOAD），刀库定位等操作。DB71最大支持16个装载点，装载点请求信号对应于SS1...SS16（DB71.DBX0.0—DBX1.7） 每个装载点对应的数据区域30个字节，从DB71.DBB4开始。如第1装载点n=4，第2装载点n=34。

（2）DB72： DB72是自动刀具交换时需要的接口信号数据块，该块的数据长度与组态的主轴数量有关。自动换刀是指通过程序中NC指令，调用新刀，换刀和还刀。不管是刀库的手动操作还是自动换刀，当有新指令时，PLC可根据“NC到PLC”接口信号提供的信息完成相应的动作，之后，PLC要通知NC动作已完成（即PLC应答），刀库管理据此更新刀表。DB72最大支持16个主轴，主轴请求信号对应于SS1...SS16（DB72.DBX0.0—DBX1.7） 每个主轴对应的数据区域48个字节，从DB72.DBB4开始。如第1主轴数据n=4，第2主轴数据n=52。主轴的数据区（DB72）提供主轴操作的具体信息。只有准备刀具指令T和换刀指令M代码，才能刷新DB72中的信号和数据。PLC动作，FC8应答后，自动清除主轴请求信号SS1-SS16，但主轴数据区的请求需自行清除。

（3）FC8：刀具管理的传递块。当状态发生变化时（装刀/卸刀、换刀），使用该功能块。“多刀”情况下使用FC6。FC6与FC8的功能相同，但它还具有多刀功能。

CALL "TM_TRANS" //FC8

Start ： = #FC8_PAR.Start

TaskIdent ： = #FC8_PAR.TaskIdent

TaskIdentNo ： = #FC8_PAR.TaskIdentNo

NewToolMag ： = #FC8_PAR.NewToolMag

NewToolLoc ： = #FC8_PAR.NewToolLoc

OldToolMag ： = #FC8_PAR.OldToolMag

OldToolLoc ： = #FC8_PAR.OldToolLoc

Status ： = #FC8_PAR.

Status Ready ： = #FC8_PAR.Ready

Error ： = #FC8_PAR.Error

CALL "TM_TRANS" //FC8

Start ： = #FC8_PAR.Start

TaskIdent ： = #FC8_PAR.TaskIdent

TaskIdentNo ： = #FC8_PAR.TaskIdentNo

NewToolMag ： = #FC8_PAR.NewToolMag

NewToolLoc ： = #FC8_PAR.NewToolLoc

OldToolMag ： = #FC8_PAR.OldToolMag

OldToolLoc ： = #FC8_PAR.OldToolLoc

Status ： = #FC8_PAR.

Status Ready ： = #FC8_PAR.Ready

Error ： = #FC8_PAR.Error

1.3.2  PLC响应流程

第1步：要判断刀具管理PLC接口信号哪个信号有请求？第2步：根据有请求的接口信号提供的数据通知新松机器人做相应的动作。第3步：等待新松机器人的相关动作完成信号。第4步：通过FC6或FC8功能块响应NC，通知NC动作已完成，继续下一步。下表为FC8的响应表，通过读取、写入它的形参，实现自动换刀。

2新松机器人刀库的配置

2.1新松机器人的硬件配置

机器人刀库由三部分组成：新松机器人、液压换刀系统和立体库。机器人系统如图1所示，主要包括：机器人本体、控制柜及编程示教盒三部分。机器人本体上有6个轴，都是旋转轴。由于结构的需要，此款机器人还配有第7个轴，是直线轴，控制机器人前后移动。另外配有一个集中润滑泵用于第7轴导轨的润滑功能。液压换刀系统包括独立的液压控制站、夹手和控制柜，其中控制柜内有独立的PLC模块控制刀具夹手的动作。刀库采取乐高模块式设计理念，如图2所示，共有9列，其中1～8列，每列5层，每层5个刀位;0号列只有3层，用于安装8把特殊刀具。安装好后，每一层配有定位销，保证刀库的装配精度。此结构安装方便灵活，立柱通过地桩固定在地基中，牢固稳定，可有效保证机器人动作的稳定性。

2.1新松机器人与西门子840DSL系统之间的数据交换

机器人与西门子840DSL系统之间的数据交换通过profinet连接实现的。连接840DSL的NCU的X150接口和新松机器人的Devicenet的X1接口，实现新松机器人与西门子840DSL系统之间的数据交换。将机器人I/O上的部分地址设置成远程I/O，同时将西门子840DSL系统的部分输入地址和输出地址与机器人上的远程输出地址和输入地址相匹配，这样机床的某位输入地址对应机器人的某位输出地址，机床的某位输出地址对应机器人的某位输入地址，可轻松实现机器人与机床的数据交换。在自动换刀时，先将刀号，换刀指令等数据传给机器人对应远程输入地址，再把机器人的运动信息、位置、报警等传给系统对应的输入地址，实现数控机床的联动。

2.2新松机器人的远程I/O的配置

机器人自动运行过程不仅可以通过控制柜的按钮和示教盒按键实现，还可以通过外围设备控制实现，这就是控制器的远程功能。 机器人控制柜上有远程/本地旋转开关，只有当旋转到远程时，远程功能才有效。 远程模式时示教盒按键只有取消键有效，其它按键都无效。 远程输入/输出默认配置在1041到1056这16位IO 上，用户也可以根据自己的需要进行重新配置。1041到1056是IO的map索引，不同的map索引指向不同的硬件地址。例如：外部启动默认是输入1053（1053是系统IO接口板的一个接口的Map索引），如果用户需要输入10（10是用户IO接口板的一个接口的Map索引）为外部启动信号时，可以进入远程输入界面，将外部启动信号改为10，退出界面后，系统检测到1053的上升沿，不再进行启动程序的处理，而是在检测信号10的上升沿后，才进行启动程序处理;用户可以对信号1053进行其它功能的处理，系统不再使用。 配置远程IO需要高级用户权限。

2.3机器人控制程序编写

机器人+立式刀库采取profinet总线控制，实时读取机器人状态和动作信号与机床的数据进行交互，保证动作的准确性和安全性，应用西门子数控系统840DSL提供的刀具管理功能进行刀库的管理，方便用户使用。主程序主要分为两部分，第一部分是当主轴上无刀情况的处理，第二部分是当主轴上有刀情况的处理。第一种情况，主轴上无刀。机器人在等待位等待，收到T代码指令后，先去刀库侧取刀，然后将刀具放置在缓冲区1;同时机床运行到“换刀点位置”，并且换刀门开，当“换刀点在位”+“换刀门开”时，给机器人一个激活信号，调用主轴装刀的程序。最后机器人回到等待位，换刀程序结束，整个换刀动作结束。第二种情况，主轴上有刀。机器人在等待位等待，收到T代码指令后，先去刀库侧取刀，然后将刀具放置在缓冲区1;同时机床运行到“换刀点位置”，并且换刀门开，当“换刀点在位”+“换刀门开”时，给机器人一个激活信号，调用子程序将主轴上的刀取下来放置在缓冲区2中，然后再从缓冲区1中将预选刀抓到主轴上。这时，换刀门可以关闭，换刀程序结束，机器人在刀库工作区将缓冲区2中的刀具送回刀架，整个换刀动作结束。

3换刀子程序TOOL的编制与实现

刀库的装刀，缷刀，重新定位功能在PLC中编好程序，结合数控的HMI中的刀库管理界面操作就可实现相应的动作及功能。对于换刀的功能还要编写名称为TOOL的换刀子程序，当NC程序中执行M6代码时会自动调用TOOL换刀子程序。在编写TOOL换刀NC程序时可以使用西门子840Dsl数控系统中的M代码、H代码、逻辑控制、系统变量、跳转、R参数、通用接口信号等来实现换刀过程中的逻辑控制及刀库刀具表刷新的相关操作。TOOL换刀程序的编写需要考虑到程序控制中的各种情况诸如计算搜索、模拟、测试，当执行这些程序操作时，刀库不进行动作，防止误动作。根据换刀流程编写TOOL的程序，TOOL中会用到一些840Dsl系统的NC变量和指令，利用这些NC变量和指令就可以实现TOOL换刀程序中的各种条件判断和动作处理。TOOL换刀子程序中按照换刀的流程分成主轴无刀换新刀任务、主轴有刀换新刀任务、主轴有刀卸旧刀任务。每个任务都是按照动作顺序进行执行，动作不执行完成NC程序处于等待状态，动作完成信号响应后再执行下一步NC程序，这样处理避免了误动作的发生，保证了刀具表的准确性。

结束语：

本文提出了新松机器人机构结合840Dsl系统实现自动换刀的方案，详细论述了840Dsl刀具管理功能的实现，新松机器人配置，换刀子程序的编制等技术要点及实现过程。该方案的实施实现了高效的自动装卸刀具，比传统液压刀库在更换超长、超重、结构复杂的刀具上有很大优势，而且立体库在结构上可以实现海量刀具的储存量，任何大刀、重刀不再是难题，相比传统液压刀库只要有一把大刀就要增加很大成本，它的价格上也更加便宜。西门子840DSL的刀具管理在记录和存储刀长、刀补、刀具磨损等方面有强大优势，所以西门子840DSL系统加机器人刀库有非常广阔的应用场景。

参考文献：

[1]李尧，胡敏，汪金华.西门子840D刀库管理功能在FMH800加工中心中的应用[J].科技创新与应用，2016（25）：137.

[2]刘丹阳，张明洋，化春雷，等.链式刀库在西门子840D系统刀库管理中的配置与应用[J].机械工程师，2011（04）：80-82.