加工中心通常带有刀库和附件库，选择一个高效可靠的刀具管理方案是加工中心设计与改造过程中必须着重考虑的问题。
原德国KOLB公司的CUBIMAT T／IT／VT／HT系列五面体龙门加工中心具有基本相同的机床结构。图1是VT2500型带移动分度台的17轴机床示意图，它具有3个刀库U1／U2／U3、1个附件库U(自带3个附件头)、1个装卸刀库u4，配置2个机械手E1／E2及其水平移动轴V、垂直移动轴Q和旋转轴仍。主加工区有常规的工作台x轴、滑座水平移动y轴、滑枕垂直移动z轴、横梁同步垂直移动W／W1轴和主轴C，另外配有移动式分度台A轴。
图1 CUBIMAT VT2500机床轴示意图
SIEMENS 840D数控系统可选配刀具管理功能。它具有刀具装载、卸载和重新定位等功能，提供刀具管理数据修改功能FC块和后台数据块作为PLC接口，根据刀库结构形式来组态，灵活方便、功能强大，适用于转塔式、链式、抽屉式以及一些特殊结构的刀库。
换刀、换附件通过NC编程与PLC编程相结合来实现。NC程序控制相应的轴移动，一定的步骤完成即通知PLC修改刀具管理数据，使其与实际状态始终保持一致。由于与刀库有关的10个数控轴通常分配在第2通道，NC编程时需注意两个通道之间的程序协调。如果将这些轴改变为PLC轴，则可以通过PLC程序来控制轴移动。为方便调试及点动操作，可设置单键切换回NC轴。
1 机床参数
MD18080——通用刀具管理功能定义，它有lO位，分别激活相应的刀具管理功能，可根据机床需求设定。
MD20310——通用刀具管理功能定义，它有24位，分别对应不同的单项功能方式，可根据机床特点设定，但其低4位应与MDl8080一致。
MD18082——刀具数量：150把，最多600把。
MD18084——刀库数量：8个，最多32个。
MD18086——刀位数量：120个，最多600个。
MD18100——每个TOA域中刀沿数量：500，最大值=MDl8082xMDl8106。
MD20110——复位功能模式，它有18位，决定NC复位后的各功能状态。如位6对应刀具偏置，结合
MD20120和MD20130等参数决定刀具长度补偿在复位后是否保持有效；位14=1对应基本零偏在复位后保持有效。
MD20112——启动功能模式，它有18位，各位与
MD20110完全一致。
MD22550——新刀具补偿生效方式：1。
MD22560——换刀M功能：6，表示换刀指令为M06。
T指令对应刀具准备，M06对应换刀。T2指令对应换附件准备，M2=6对应换附件。刀具补偿在M功能完成后生效。
MD28085——TOA域功能链接，如果需要在第2通道中能运行通道1中所有关于刀具管理的功能，则设置通道1和通道2中该参数均为1(假设只设置了1个TOA)。
另须设置选项功能参数，必要时还需设置MDl8090一MDl8116以及MD20122、MD20124等参数。
2 刀库配置
刀库U1／U2／U3以及刀具装卸库U4均有24个刀位，分上下两层各12个刀位；附件库有4个附件头位；另外为了操作方便，设置1个虚拟手动装卸刀库，含有20个刀位，该刀库中的刀具均为手动装卸。在刀具管理中，刀具与附件同样对待，只是其刀具类型和刀沿数据不同。加上缓冲区、装载点，一共有8个刀库。
对于缓冲区，应有滑枕(对应附件)、主轴(对应刀具)、机械手1、机械手2共4个刀位。机械手1用来装卸附件和抓取新新刀，机械手2用来抓取旧刀。其刀库定义如表1。
其中缓冲区和装载点的刀库号为系统内定，只需对其各刀位特性进行定义即可。为了管理各种类型的刀具，将刀位类型分为普通、宽刀、长刀、超大刀具和附件共5种，以适应相应的刀具存放，其中宽刀、长刀和超大刀具类型刀位均可存放普通刀具，前4种刀位之间存在优先级。宽刀不能放在刀库两端的刀位上，长刀只能放在上层刀位中，附件只能放在附件刀位中。
3 NC编程
刀具管理有关的系统变量较多，包括刀具数据、刀沿数据、刀库数据、刀位数据等。常用的刀具数据如$TC_TP1~1l、$A_TOOLMN、$A_TOOLMN、$P_TooLND等；刀沿数据如$TC—DPI～25、OEM定义数据$TC_DPCI~10等；刀库数据$TC_MAPI~10等；刀位数据$TC_MPP1~7、OEM定义数据$TC_MPPCI~10等。还有一些关于刀具监控、刀位类型优先级、缓冲区分配等的系统变量。所有的刀库配置都可用系统变量定义来代替HMI界面组态的过程，系统关于刀库配置的数据备份也是通过这些系统变量的赋值来实现的。
刀具偏置用于因附件头运动、工件运动等引起的自动刀具定向，采用SIEMENS提供的标准循环Cycle800可以实现该功能。Cycle800内部是通过各种条件的判断后对刀架数据赋值来完成的，所以也可以直接根据刀架运动的关系赋值相应的刀架数据来实现刀具偏置的功能。
相应的MDl8088——最大可定义刀架数量，应大于0。常用的刀架数据$TC—CARRl～33等，是决定刀具定向偏置数据的系统变量。附件头自身的各坐标方向偏置值、旋转后相应坐标方向的补偿值均通过加工中心自身测量得到，经过相应的数学计算即可得到各种附件各种角度下的刀具定向偏置值。
4 PLC编程
SIEMENS公司在Sinumerik 840D的toolbox中带有刀具管理实例。虽然实例中是链式刀库，但其控制思路很明确，相应的FB90、FB91、FB92、FB93和FC90等均可以根据需要修改后用在相应的加工中心。
在PLC编程之前编制刀库数据管理任务表是关键。它将每个需要修改刀具管理数据的任务列成表格(目前它最多允许建立32个任务)，然后将每个任务分解成单个运动步骤，各个运动步骤可通过NC程序或PLC程序完成。
根据CUBIMAT系列五面体加工中心的特点，结合用户灵活方便的使用需求，其刀具数据管理任务主要有如下几个特点：
(1)换刀过程分为换刀准备、取新刀、卸旧刀、装新刀、旧刀入库等5个任务。其中卸旧刀与装新刀占用加工时间，另3个任务均在不影响加工的情况下完成；
(2)换附件过程分为换附件准备、卸旧附件、旧附件入库、取新附件、装新附件共5个任务，均占用加工时间：
(3)有的刀具原不在刀库中，若非要将刀具放人刀库，然后自动取刀、装刀，则会浪费较多时间。为了方便用户使用，设置了虚拟手动刀库u5，操作人员就可自由选择自动换刀或手动换刀；
(4)新刀入库、旧刀卸载均通过U4库。刀具在U4库与U1／U2／U3之间的位置交换通过刀具管理的“重新定位”功能实现。它通过激活相应的刀库轴和机械手的运动来完成刀具位置交换的目的；
(5)如果刀具管理数据因错误(如换刀中断、数据未及时修正等)使其与实际刀具状态不一致，可通过“重新定位”软键功能来修改刀具管理数据。此时它并无实际的刀具移动，只是位置数据的修改。
根据以上特点，编制其任务如表2所示。
其刀具管理功能提供了4个后台数据块作为PLC接口。DB71存放用于装载、卸载、重新定位以及定位刀位至换刀点的数据，其长度为4+nx30Byte，n=装载点数量(本例为1)；DB72存放用于换刀准备、换刀至主轴的数据，其长度为4+nx48Byte，n=主轴数量(本例为2)；DB73存放用于转塔刀库换刀的数据，其长度为4+n*44Byte，n=转塔号；DB74为刀具管理内部使用的数据块。
修改刀具管理数据块主要是通过调用FC8，上述表2中的任务1、2、17、18、28、29均对DB71操作，任务3~16和30、3l均对DB72操作。由s任务较多，每一个任务的运行条件又存在多种情况，因此应先分别对其条件进行处理，最后一次性调用FC8，避免因条件交叉引起的修改数据失败。
下面是一段新刀装入主轴1动作完成时刀具管理数据修改的程序：
5 结语
经过多台CUBIMAT加工中心的改造，积累了较丰富的经验。经刀具管理功能应用改造升级后的加工中心重新焕发了活力并提高了效率，为用户生产提供了保障，也为国产高端数控产品的研究与开发提供了参考。
机械手的抓紧控制需用到固定点停止功能。刀库／附件库／机械手可定义成索引轴，编写换刀换附件、附件转位、刀架运动刀具补偿等程序时需用到多种NC与PLC数据交换的方法。为方便调试和使用，需定义一些全局变量。鉴于篇幅，这些就不一一阐述。
(审核编辑: 智汇胡妮)
