基于功率監控的深孔加工刀具過載保護系統設計
2017-12-14 來源： 長春工業大學 應用技術學院 作者：丁健生
摘 要：針對數控機床在進行深孔鉆削加工時刀具易折斷的問題，提出了一種基于功率檢測原理的刀具過載保護方案，并開發了刀具過載保護系統。該系統通過對數控機床的功率進行在線采集，實時判斷刀具負載狀況，當出現負載超限時對主軸進行急停保護，從而實現對刀具的過載保護功能。
關鍵詞：鉆削加工；刀具保護；840D
1 、概述
數控機床在進行深孔鉆削加工時，經常因纏屑、刀具斷刃等原因導致刀具負載突增、扭矩過大而造成刀具瞬間折斷。由于事發突然，操作者往往來不及采取處理措施而直接導致刀具報廢，機床受損。同時折斷的刀頭嵌入工件中，往往又造成工件報廢。因此，如果能研究一種自動化刀具過載保護系統，能夠在刀具負載超限前主動停機，避免刀具折斷，將對節約加工成本，提高加工的成功率具有重要意義。
研究發現，刀具折斷都是發生在鉆削扭矩急速增大的瞬間，此時機床主軸電機的功率也發生相應變化。如果能夠跟蹤采集這些信號，并從中提取有效特征信息，建立特征信息與刀具載荷的對應關系，則能在刀具過載之前，提前預判，快速采取措施停止加工，達到保護刀具和工件的目的。
目前主流的開放式數控系統都具有開放的軟硬件接口，通過這些接口可以直接獲取上述功率信號且不需要硬件投入，不改變機床原有結構，對機床原有功能沒有影響，這給集成化的刀具過載保護系統提供了可能。對此，本文針對配備了西門子 840D 數控系統的加工中心，研究了其功率采集方案，并利用其開放性設計了刀具過載保護系統，實現了深孔加工時對刀具的過載保護功能。
2 、系統結構設計
系統的整體結構如圖 1 所示。 840D 數控系統與刀具過載保護系統協同工作，其中 840D 數控系統通過內置的 PLC 向刀具過載保護系統提供主軸功率的模擬量數據及確立加工時段的開關量數據。
刀具過載保護系統實時測控主軸的功率變化，當判斷刀具處于過載狀態時，向PLC 發送停機信號，PLC 收到停機信號后通知 NCK 執行一段預先編制的停機程序，停止主軸轉動，從而保護刀具免于折斷。
圖 1 刀具過載保護系統結構示意圖
西門子 840D 數控系統由 NCK+PLC+PC 三級控制結構組成，其中NCK（Numeric Control Kernel）負責數控加工的核心功能；PLC 負責刀庫等外圍電氣的控制；PC 負責機床控制面板的顯示和操作。數控系統內置了多種傳感器，包括主軸功率在內的數據都存儲在 NCK 的狀態變量里，利用機床 PLC 可以讀取這些變量，再通過 PLC 自帶的模擬量輸出模塊輸出。
而在過載保護系統一側，再通過數據采集卡實現模擬量到數字量的轉換，從而無需加裝任何外置傳感器就可以實時獲得主軸的功率，為刀具過載狀態的判斷提供基礎。基于功率監控原理實現刀具過載保護的另一個難點是如何確定有效加工時段。數控加工中心在進行換向等操作時，其功率數據會顯著增大，甚至超過鉆削加工時的功率。因此過載保護系統必須能夠確定加工中心現在是否正處于鉆削加工狀態，從而決定是否進行功率監控和刀具保護。
對此本文采用在 NC 加工程序中嵌入擴展的 M 指令的方式來實現有效加工時段的確定。具體實現方式為：在 NC 程序的鉆削加工開始指令前加入 M75 指令，在鉆削加工結束指令后加入 M76 指令。當加工程序執行至該指令時，機床 PLC 向數據采集卡輸出一組相應的開關量。過載保護程序捕獲到該開關量，根據該開關量來開啟或關閉監控功能。
3 、過載判別算法設計
在獲取加工時段的功率數據后，由于功率數據中包含有干擾信息，其瞬時數據可能會出現高于正常加工時平均功率的情況。此外，即使正常加工過程中，也存在功率瞬時突增又迅速回落的情況，因此不能簡單的利用閾值法對瞬時功率進行判斷，來確定刀具是否處于過載狀態。對此，本文采用了滑動窗口求平均的方法來防止突變，即 i 時刻的功率：
式中 Pk為 k 時刻主軸功率的原始數據，P'i為 i 時刻主軸功率濾波后的數據，2n+1 為窗口大小。對 n 值的選取要注意，如果 n 值過小起不到去噪的作用，而 n 值過大將使系統變得遲鈍，使得刀具折斷發生在過載狀態識別之前，失去保護作用。n 值的確定與數據采集程序的采樣頻率有關，頻率高則 n 值大，反之 n 值則較小。本系統的采樣頻率為100HZ，通過試驗，n 值定為 40 左右可兼顧系統的實時性與穩定性。對濾波后的功率 P'i與預設的峰值功率 Pmax對比，如果高于后者，則視為刀具過載狀況發生，此時啟動停機保護動作，否則繼續監控主軸功率直至收到鉆削加工結束信號。
對于 P'i的計算，可以采用迭代算法進行優化，即
從而減少對加法的重復計算。
4 、后處理設計
當檢測到刀具過載發生后，還需要適當的動作使主軸停止下來，以避免刀具折斷，即過載保護的后處理。最簡單的后處理方法是通過繼電器直接給主軸斷電，但由于轉動慣量的存在，主軸斷電后并不能迅速停止轉動，從而使系統的保護作用延遲，效果不理想。而且突然斷電對數控系統的穩定性也會產生影響。另外一種方案是在主軸與刀具之間加裝電磁離合器裝置，過載發生時由程序控制使主軸與刀具分離，刀具失去動力迅速停止下來，但該方案需要額外的硬件投入，且對加工中心硬件改動大，存在影響加工精度的風險。
本文在解決這一問題時再一次利用了 840D 數控系統的開放性，當刀具過載保護系統檢測到過載發生后，向 840D 的 PLC 發送一開關量停機信號，通過在 PLC 中編程，使之在收到停機信號后，向 NCK 發送指令，使 NCK 暫停當前正在執行的加工程序，轉而調用另一段預先編的停機程序，使主軸停止。從而實現不借助額外機電裝置的前提下，實現刀具保護。
5 、結束語
本文以裝備 840D 數控系統的加工中心為研究對象，在不改變機床原有結構的前提下，設計了一種基于功率監控原理的刀具過載保護系統。利用 840D 系統的開放性，實現主軸功率數據的采集，在此基礎上采用滑動平均及閾值判斷法實現刀具過載狀態的識別，最后通過 PLC與NCK 的交互來完成主軸停機動作，從而實現刀具過載保護功能。
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