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加工中心刀具破損監測的一種實現方法

2023-8-25 來源：北京工研精機股份有限公司作者：肖博劉賀強戴玉紅吳同宣于光旭

【摘要】針對具體的刀具，在正常加工工況下充分采集主軸電機的負載值并進行預設，形成針對所有刀具的主軸電機負載表，即數據表，進而可得極限負載值。在實際加工過程中，用讀取的實際負載值和極限負載值進行比較，判斷刀具是否破損。

一、問題的提出

刀具的破損主要表現為：刀具的磨損、崩刃和折斷。加工中，如果刀具出現破損，則會對加工效率和加工質量造成一定程度的影響。比如，工件的加工精度降低、表面粗糙度增大、切削溫度升高、切削振動、切削負載增大、無吃刀等。針對這種情況，希望能及時的進行監測，以便于操作者可以及時地采取相應的措施。

有統計表明，機床停機時間的 20%是由刀具的破損引起的 [1]。研究表明，準確可靠的在線監測系統可增加切削速度 10%~50%，總的加工成本可以節省 10%~40%[2]。這往往需要增加相關傳感器，數據的分析處理設備，并且涉及到安裝和維護，這意味著增加成本和調試難度。

本文提出了一種基于主軸電機負載的刀具破損監測方法。該方法充分挖掘應用數控系統中的特征數據，無需額外增加硬件設備，具備較高精度，可以滿足通常的使用需求。文章以FANUC 0i-MF數控系統為例進行介紹。

針對具體的刀具，在正常加工工況下充分采集主軸電機的負載值，并將采集到的數據寫到指定的地址中，形成針對所有刀具的主軸電機負載表，簡稱為數據表。通過數據表進而可得極限負載值，包括上極限負載值和下極限負載值。在實際加工過程中，讀取的主軸電機實際負載值，并和上、下極限負載值進行比較，進而判斷刀具是否破損。刀具破損和主軸電機負載的關系簡化為[3]：

（1）刀具磨損或崩刃后，電流的最大值增大，負載會明顯增大。

（2）刀具折斷常常有完全折斷和部分折斷兩種：①完全折斷：電流和空運行一樣，電流很小，負載很小；②部分折斷：接觸工件前，和空運行一樣，負載很小；接觸工件后，和崩刃相似，負載明顯增大。該方案的技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線

二、負載預設的實現

當加工內容、刀具的規格與型號、加工的工藝參數（比如主軸轉速、進給速度、吃刀量…）等確定之后，便可以進行負載的預設。為了方便描述，本文以1號刀具為例進行說明。選擇預設模式。在切削加工條件下，當主軸轉速到達以后，每隔一秒進行一次主軸電機負載數據的采集，并將采集到的數據寫到以D2000為首地址的數據表中。即便此時刀具沒有破損現象, 主軸電機負載處于正常狀態，但是也可能由于材質不均等其他外部因素，導致負載會在一定范圍內波動。因此，負載數據的采集工作通常需要在多次切削加工中重復進行，力求采樣數據充分完備，如圖2流程所示。

圖2 負載預設流程圖

1.負載預設模式

為了方便操作，在機床操作面板上設計了“預設”按鍵。按一下該按鍵，按鍵燈亮，即進入預設模式；再按一下按鍵，按鍵燈滅，即進入到了正常的監測模式。這里選擇預設模式。

2.采集實際負載值

采集的實際負載值為當前加工狀態主軸電機的負載值。FANUC系統提供了一種可以對CNC的數據進行讀寫的功能指令——窗口功能。這里用來讀取“主軸電機的負載值”。應用時，需要對該功能指令的輸入數據進行設置，數據結構如圖3所示[4]，其中，讀取主軸電機負載信息時，對應的功能代碼是“153”；數據數N為0，表示讀取第一主軸負載；數據屬性為0。采集到的實際負載值存儲在數據區R2010中，負載值為無符號的二進制數，占用2個字節。梯形圖如圖4所示。

圖3 讀取主軸電機負載值時的輸入數據結構

圖4 窗口功能讀取

3.負載預設過程

無論是讀數據，還是寫數據，都要用到數據表。數據表的實質是規劃的一片D地址區域，這里的D地址用來存儲負載值，該負載值是主軸電機負載，且對應于主軸刀號。表容量、首地址、表內號是數據表常用的概念。

①表容量：這里數據表的表容量存儲在D0006中，設置24。用D地址來存儲表容量，這樣即使梯形圖在寫入ROM后依然可以快速改變表容量。

②首地址：這里數據表的首地址為D2000，每個負載值占用2個字節，數據表D地址范圍為D2000~D2044。

③表內號：數據表的表內號從0開始,這里表內號范圍為0~23。 “表內號-主軸刀號-采樣值存儲D地址”之間的對應關系見表1。

表1 數據表-預設前

（1）讀數據

指從數據表中讀取相應刀具的主軸電機負載值，基于表內號來進行。應用功能指令XMOVB[4]。1號刀具對應表內號0,因此，將D0015=0時對應負載值（初次讀取時負載值為0）讀到R2100。

（2）比較數據

指用R2100和讀取的實際負載值R2010進行比較，所用的功能指令為COMPB[4]: 二進制數據大小判別。該指令可比較1、2、4字節長的二進制數據之間的大小，比較結果存放在運算結果寄存器（R9000）中。

當數據表中對應的負載值R2100大于讀取的實際負載值R2010時，R9000.1=0。

當數據表中對應的負載值R2100小于讀取的實際負載值R2010時，R9000.1=1。

此時1號刀具對應R2100=0, 實際負載值R2010=4011,可得 R9000.1=1。

（3）寫數據

R9000.1=0時, 數據表不被更新。

R9000.1=1時, 數據表會被更新。

這里的更新，即寫數據，將讀取的實際負載值寫入數據表對應的地址,應用功能指令XMOVB[4]。這里，1號刀具對應的實際負載數據為R2010=4011，且R9000.1=1，表內號D0015=0，對應的數據表地址為D2000，見表2。

表2 數據表-寫數據

同樣的道理，對其他刀具進行負載采集，并且往往需要進行多次加工循環的重復地、充分地采集，梯形圖如圖5所示，最終形成的數據見表3。其中，數據表中為0的數據，表示相應的刀具號在加工程序中沒有用到。

至此，負載預設完成。退出負載預設模式，進行負載監測。

圖5負載預設模式

表3 數據表-預設完成

三、負載監測模式

切削狀態下，當主軸轉速到達以后，讀取主軸電機的實際負載值，使之與極限負載值進行實時的比較，負載監測過程的流程圖如圖6所示。

圖6 負載監測流程圖

1.極限負載值

極限負載值包括上限負載值和下限負載值。下限負載值為設定在D2100中的固定值，通常，該值大于任一把刀具空切削時的負載值，且小于每把刀具正常切削時的負載值，比如設置為500。

上限負載值=預設值×上限因子其中，上限因子是人為設計的參數。這里應用功能指令DIVB和MULB[4]。參數號：D2148設定單位：%設定范圍：100~32767比如，負載因子設置值為120時，表示上限負載值為預設負載值的120%。執行T1M6之后，1號刀具交換到了主軸。讀取預設值后，R2100=4540。那么，對于1號刀具而言，由PLC計算上限負載值： R2104=4540×120%=5400

2.刀具破損監測

對主軸電機的實際負載值R2010和上、下限負載值進行實時的比較。

若實際負載值R2010大于上限負載值R2104，或小于下限負載值D2100,且超過設置時間后，則認為刀具出現破損情況，進入進給保持模式，且顯示報警信息：

OPM170 刀具破損此時，檢查刀具。負載監測模式下的梯形圖如圖7所示。