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CNC加工刀库智能化


Maschinenfabrik Reinhausen公司对CNC加工刀库环节进行了优化。刀具准备、刀库智能化更换和CNC上大量的图形信息成为革新工作的焦点。

Maschinenfabrik Reinhausen公司早在前些年就与西门子自动化与驱动集团的运动控制业务部门一起,在现有的SAP结构和Motion-Control-Information系统(运动控制信息系统MCIS,见图2)的基础上实现顺畅的信息流。为了把NC程序传送到刀具上,使用了MCIS DNC(直接数字控制)和刀具管理的 MCIS TDI(刀具数据信息)。两种模块均连接到用户的SAP系统里。在目前已结束的第二阶段里又实现了把刀具管理集成到无纸化CAM流程里。其亮点是:在刀库里对刀具准备时间的优化;用于减少无谓的刀具循环的智能式卸载策略;产生大量有关刀具的信息,提高流程安全性,降低管理成本。

在连续更换中对9000个部件进行加工

Reinhausen公司在30多台CNC机床上以三班作业和连续更换的方式对9000多个部件进行加工,从而有效的NC程序管理和刀具管理对生产效率产生直接的影响,尤其是达到了对四台各带有120种刀具的刀库的机床进行最优化改造的目标。这种机床在每一个作业班上平均只需调整一次,每一个NC程序都包含着约12次刀具更换。

 


图2 由Reinhausen公司针对无纸化流程而所采用的Siemens A&D的Motion-Control-Information-System(运动控制信息系统)MCIS TDI

刀具准备时间

随着刀具技术不断改进和进刀速度不断加快以及因驱动技术不断进步而实现的机床加速度的不断提高,经常会出现主轴上刀具加工速度要快于刀库备刀速度的情况,结果就会产生无谓的等候时间。

错误的解决方案是用程序将所有刀具进行固定位置编码,按正确的顺序进行预分类,并安装到刀库上。刀库则根据对每个订单需要被装满,接着因刀库储位的原因又需被完全清空时,但是这样的话,人们就会放弃或许可以明显降低刀具循环的刀具数量需求计算。而正确的方法可以把经常使用的刀具留在刀库里,只需补充所缺的刀具即可。对于这些相互对立的最优化措施的设想,Reinhausen公司和西门子公司在其共同项目中达到了如下的统一:

Reinhausen公司的后置处理程序方案(MR-PP)可为每一把刀具计算出准确的换刀时间并对此采用设备的原始动态数据。换刀时间低于刀库最大运行时间的刀具被定义为短行程刀具,其他刀具被视为是长行程刀具。其比例大约为30:70。每个短行程刀具及其后随的刀具均通过MR-PP被集合成组。组态一直保持到有一个长行程刀被替换掉为止。接下来又是一个短行程刀具,组的构成以下一个组别号码开始,依次类推。针对每个NC程序,有时可以有多个带短行程刀具(这可能会产生对刀库的等候时间)和长行程刀具(对此刀库会及时待命)的组别。

对短行程的刀具标识

针对采用Saturn MVIS II Zoller系统对刀具的预调设,短时跑刀组别通过MR-PP并以额定数据文档的方式接受特别的标识。在刀具预调设之后,Zoller-PP即生成实际数据文档,并把组别构成递送到MCIS TDI那里。

MCIS TDI对所有长行程刀具作不限定编码,并把它们装载到刀库的任意自由位上;

MCIS TDI对所有的短行程刀具作固定位编码,并把它们并列装载到刀库上。

这里的“并列”之间的误差也可以是三个刀以内的位置。由此可以确保刀库在不发生等候时间的条件下准备出每把刀具,同时,也可对链库中无限定编码的刀具进行完美的刀具数量需求计算。这样,通过一种大型刀具库和一种以计算机主机为基础的智能换刀策略,可以向加工中心的操作人员提供支持:在刀库满载时,设备操作人员在一个新任务之前必须对刀具库进行更换。如果没有计算机的支持,即存在着被更换下来的刀具在短时间内又被需要的风险。此外,在更换过程中,人们还需要防止短时跑刀组重新被拆散的危险。

计算适于卸载的刀具

因此,Reinhausen的CAM数据管理员可以提供一个功能,即对最适合于卸载的刀具进行计算。此计算过程由设备上的Sinumerik 840D控制系统内的一个特殊功能开启。主计算机执行如下程序:

(1) 采用MCIS TDI对设备刀具库进行读数。

(2) 对SAP任务安排进行读数,即通过SAP接口,主计算机可以“看见”后面几天里设备上所需要的全部刀具,并把这些刀具从刀具库的清单中删除。

(3) 可单独匹配的刀具,例如可调设和匹配的精密旋转头,同样也从清单中删除。

(4) 剩余的刀具可以依此进行更换,按照最后的使用日期进行分类。此外,短时跑刀只允许作为组别被更换。

由此产生的更换建议清单由主计算机在线通过MCIS TDI的一个特殊功能被传送给控制系统。操作人员向MCIS TDI反馈更换建议,最佳化的更换过程自动开始。

在以往项目中已经实现了的智能化更换作业,通过在线获取刀具库数据的功能被扩展到智能更换范畴。通过MR-CM智能化的更换,工作流程变得“动态化”,在最短的时间内对刀具库所进行的刀具布置工作达到了最优化的程度。

更高流程安全的刀具信息

一旦对刀具库进行更换,不管是手工输入,还是通过Sinumerik登录工具和Tool-Offset-Active-Files (TOA, 刀具补偿文档) 的简便方式,刀具的所有其他信息均会丢失。Sinumerik的标准刀具管理只局限于少数的一些基本信息。其他信息,如零件清单、刀具文本描述、转位刀片标识、镀层和推入长度等,需以纸张的形式在设备上保留。

采用MCIS TDI即可填补这方面的信息漏洞:软件模块可以提供大量专门针对各用户的、通过Zoller系统可存储所需实际数据文档信息的数据库区域。

在控制系统上显示Pixel图形

MCIS TDI的一个特别之处便是可对网络路径的Pixel图形(JPEG、BMP等)做出显示。在前端系统上所生成的刀具图形(图3),可以通过所设定的路径直接在控制系统上被可视化显示出来。此类图形均含有刀具的所有几何图形和技术信息。为了从任意的刀具管理系统中自动生成刀具图形,Reinhausen公司提供一套用户可以单独设定到其特殊环境里的工具。同时,采用MCIS TDI对Zoller实际数据的传输也变得要比单纯使用Sinumerik的DNC登录工具更为简便。这是因为Zoller刀具预调在设备的一个虚拟的TDI数据库里直接储存了其实际数据,仅通过MR-CM与MCIS TDI的最优化配合,就对短时跑刀而言,刀具准备过程中的等待时间在每次刀具更换上即可缩短大约8 s。由于采用智能化的更换策略,刀具循环时间也可缩短大约10%,而管理费用也下降大约20%。故障率更低,流程安全性更高,因此生产效率也达到更高的水平。

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