加工（gōng）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（liú）賀強 戴玉紅 吳同宣 於光旭
【摘要】 針（zhēn）對具體的（de）刀具，在（zài）正常加工工（gōng）況下充分采集（jí）主軸電機（jī）的（de）負載值並進行預設（shè），形成針對所（suǒ）有刀具（jù）的主軸（zhóu）電機負載表，即（jí）數據表，進而可得極限（xiàn）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（zǎi）值進行比較，判（pàn）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（bēng）刃和（hé）折斷。加工中，如果刀具出現（xiàn）破（pò）損，則會對加工效率和加工質量造（zào）成一定程度的影響。比如，工件的加工精度降低、表麵粗（cū）糙度增大、切削溫度升高、切削（xuē）振動、切削負載增大、無吃刀等。針對這種情況，希望能（néng）及時（shí）的進行（háng）監測，以（yǐ）便於操作者可以及時地采取相（xiàng）應的措施。
有統計（jì）表明，機床停（tíng）機時間的 20%是由刀具的破損引起的 [1]。研究（jiū）表明，準確可靠的在線監測係統可增加切削速度 10%~50%，總（zǒng）的加工成本可以節（jiē）省 10%~40%[2]。這往往需（xū）要增（zēng）加相關傳感器（qì），數據的分析處理設（shè）備，並且涉及到安裝和維護，這意味著增加成本和調試難度。
本文（wén）提出了一種基（jī）於主軸電機負載的刀具破損監測（cè）方法。該方（fāng）法（fǎ）充分（fèn）挖掘應用數控係統中的特征數據，無需額外增加硬件設備，具備較高精度，可以滿足（zú）通常的使用需求。文章以FANUC 0i-MF數控係統為例進（jìn）行介紹（shào）。
針對具體（tǐ）的刀具，在（zài）正常加工工（gōng）況下充分采集（jí）主軸電機的（de）負載值，並將采集（jí）到（dào）的（de）數據（jù）寫到指定的地址中，形成針對所有刀具的主軸電機（jī）負載表，簡稱為（wéi）數據表。通過數據表進而可得極（jí）限負載（zǎi）值，包括上極限負載值和下極限負載值。在實際加工（gōng）過（guò）程中，讀取的（de）主軸（zhóu）電機實際（jì）負載值，並和上（shàng）、下（xià）極限負載值（zhí）進行比較，進而判斷刀具是否破損。刀具破損和主（zhǔ）軸電機負載的關係簡化為[3]：
（1）刀具（jù）磨損或（huò）崩刃後，電流的最大值（zhí）增大，負載會明顯增大。
（2）刀具折斷常常有完全折斷和部（bù）分折（shé）斷兩種：①完全折斷：電流（liú）和空運行一樣，電流很小，負載很小；②部分折斷：接（jiē）觸（chù）工件前，和（hé）空運行一樣，負載（zǎi）很小；接觸工件（jiàn）後，和崩刃相似，負載明顯增大（dà）。該方案的技術路線如圖1所示。
圖1 技術路（lù）線
二、負載預（yù）設的實現
當加工內容、刀具的規格與型號、加工的工藝參數（shù）（比如主軸轉速、進給速度、吃刀量…）等確定之後，便可以進行負載的預設。為了（le）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（xuē）加工條件下，當主軸轉速到（dào）達（dá）以（yǐ）後（hòu），每隔一秒進行一次主軸電機負載（zǎi）數（shù）據的采集，並將采集到的數據寫到以D2000為首地址的數（shù）據表中。即便此時刀具沒有破損現象, 主軸電機負載處於正常狀態，但是也可能（néng）由（yóu）於材質不（bú）均（jun1）等其他外部因素，導致負載會在一定（dìng）範圍內波動。因此，負載數據的采集工（gōng）作通常需要在多次切削加工中重複進行，力求采（cǎi）樣數（shù）據充分完備，如圖2流程所示。
圖2 負載（zǎi）預設流程圖
1.負載（zǎi）預（yù）設模式
為了（le）方便操作，在機床操作麵板上設計了“預設”按鍵。按一下該按鍵，按鍵燈亮，即進入（rù）預設模式；再按一下按鍵，按鍵燈滅，即進（jìn）入到（dào）了正常（cháng）的監測模（mó）式。這裏選擇預設模式。
2.采集實際負載值
采集的實際負載值為（wéi）當前加工狀態主軸電機（jī）的負載值。FANUC係（xì）統提供了（le）一種可以對CNC的數據進行（háng）讀寫（xiě）的功能指令——窗（chuāng）口功能。這裏用來讀取“主軸電機的負載值”。應用時，需要對該功能指令的輸（shū）入數（shù）據進行設置，數（shù）據結構（gòu）如圖（tú）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（wéi）0，表示讀取（qǔ）第一主軸負載；數據屬性為0。采集到的實際負（fù）載值（zhí）存儲在數據區（qū）R2010中，負載值為無符號的二進製數，占用2個（gè）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（jié）構
圖4 窗口功能讀取
3.負（fù）載預（yù）設過（guò）程
無論是讀數據，還是（shì）寫數據，都要用到數據表。數據表的實質是規（guī）劃的一片D地址區域，這裏的D地（dì）址用來存儲負載值，該負載值是主軸電機負載，且對應於主軸（zhóu）刀號。表容量、首地址、表內號是數據表（biǎo）常用（yòng）的概念。
①表容量（liàng）： 這裏數據（jù）表的表容量存（cún）儲在D0006中，設置24。用D地址（zhǐ）來（lái）存儲表容量，這樣即使梯形圖在寫入ROM後依然可以快速改變表容量。
②首地址 ：這裏數據表的首地（dì）址為D2000，每個負載值占（zhàn）用2個字節，數（shù）據表D地址範圍為D2000~D2044。
③表內號： 數據表的表內號從0開始,這裏表（biǎo）內號範圍（wéi）為0~23。 “表內號-主（zhǔ）軸刀（dāo）號-采樣值存儲D地址”之間的對應（yīng）關係見表1。
表1 數據表-預（yù）設前
（1）讀數據
指（zhǐ）從數據表中讀取相應刀具的主軸電機負載值（zhí），基於表內號來進行。應用功能指令XMOVB[4]。1號刀具（jù）對應表內號0,因此，將D0015=0時對應負載（zǎi）值（初次讀（dú）取時負載值為（wéi）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（jiào），所用的功能指令為COMPB[4]: 二進製數據大小判別（bié）。該指令可比較1、2、4字節長的二進製（zhì）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（biǎo）中對應的負載值（zhí）R2100大於讀取的實際負載值R2010時，R9000.1=0。
當數據表中（zhōng）對應的負（fù）載值R2100小於讀（dú）取的實際負載值R2010時，R9000.1=1。
此時1號刀具（jù）對應R2100=0, 實（shí）際負載值R2010=4011,可（kě）得 R9000.1=1。
（3）寫（xiě）數據
R9000.1=0時, 數據表不（bú）被更新。
R9000.1=1時, 數據表會被更新。
這裏的更新（xīn），即寫（xiě）數據，將（jiāng）讀取的實際負載值寫入數據表對應的地址（zhǐ）,應用功能指令XMOVB[4]。這裏，1號刀具對應的實際負載（zǎi）數據為R2010=4011，且R9000.1=1，表內號D0015=0，對應的數據（jù）表地址為D2000，見表2。
表2 數據（jù）表-寫數據（jù）
同樣（yàng）的道理，對其他刀具進行負載采集，並且往往需（xū）要進行多次加工循環的重複地、充分地采集，梯形圖如（rú）圖5所示，最終形成（chéng）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（mó）式，進行負載監測。
圖5負載預設模式
表（biǎo）3 數據表-預設完成
三、負載監測模式
切削狀態下，當主軸轉速到達以後（hòu），讀（dú）取主軸電機的實際（jì）負載值，使之與極限負載值進行實時的（de）比較，負載監測過程的流程圖如圖6所示。
圖（tú）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（xià）限負載值。下限負載值為設定在D2100中的固定值，通常，該值大於任一把刀具（jù）空切削時的負載值，且小（xiǎo）於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（qí）中，上限因子是人為設計的參數。這裏應用功能指令DIVB和MULB[4]。參數號：D2148設定（dìng）單位：%設定（dìng）範圍：100~32767比如，負載因子設（shè）置值為120時（shí），表（biǎo）示上限負載值為預設（shè）負載值（zhí）的120%。執行T1M6之後，1號刀具交換到了（le）主軸。讀取預設值後，R2100=4540。那麽（me），對於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（jiān）測
對主軸電（diàn）機的實際負載值R2010和上、下限負載值進行實時的比較。
若（ruò）實際負載值R2010大於上限負載值R2104，或小於下限負載值D2100,且超（chāo）過設置時間後，則認為刀具出現破（pò）損（sǔn）情況，進入進給保持（chí）模式，且顯示報警信息：
OPM170 刀具破損此（cǐ）時（shí），檢（jiǎn）查刀具。負載監測模式下的梯形圖如圖7所示。
圖7 負載監測模式
四、應用展望
該方案不需（xū）用額（é）外地增加其他（tā）任何硬件設備，在一定意義上（shàng）說，實現（xiàn）了項目（mù）“零（líng）成本”。功能思路清晰、操作性強，人（rén）機交互友好，可以有效地應對由於加工中的刀具破損對加工效率和質量造成的不良影響。這對（duì）於合（hé）理地組織生產，科學地使用機床，提高機床的智能化水平，具有積極的意義。
目（mù）前，該方法已成功地應用於我公司立臥式加工中心，也可以（yǐ）拓展應用到車削中心中來（lái）。本文是基於FANUC數控係統0i-MF為例進行介紹的，對（duì）於其（qí）他廠家的數控係統，也可做參考。
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