加工中心刀具破損監(jiān)測的一種實(shí)現(xiàn)方法
2025-4-11 來源： 北京工研精機(jī)股份有限公司 作者： 肖 博 劉賀強(qiáng)
一、問題的提出
刀具的破損主要表現(xiàn)為 : 刀具的磨損、崩刃和折斷。加工中，如果刀具出現(xiàn)破損，則會對加工效率和加工質(zhì)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(fù)載增大、無吃刀等。針對這種情況，希望能及時的進(jìn)行監(jiān)測，以便于操作者可以及時地采取相應(yīng)的措施。
有統(tǒng)計(jì)表明，機(jī)床停機(jī)時間的 20% 是由刀具的破損引起的。研究表明，準(zhǔn)確可靠的在線監(jiān)測系統(tǒng)可增加切削速度 10%~50%，總的加工成本可以節(jié)省 10%~40%。這往往需要增加相關(guān)傳感器，數(shù)據(jù)的分析處理設(shè)備，并且涉及到安裝和維護(hù)，這意味著增加成本和調(diào)試難度。
本文提出了一種基于主軸電機(jī)負(fù)載的刀具破損監(jiān)測方法。該方法充分挖掘應(yīng)用數(shù)控系統(tǒng)中的特征數(shù)據(jù)，無需額外增加硬件設(shè)備，具備較高精度，可以滿足通常的使用需求。文章以 FANUC0i-MF 數(shù)控系統(tǒng)為例進(jìn)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(jī)的負(fù)載值，并將采集到的數(shù)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(fù)載表，簡稱為數(shù)據(jù)表。通過數(shù)據(jù)表進(jìn)而可得極限負(fù)載值，包括上極限負(fù)載值和下極限負(fù)載值。在實(shí)際加工過程中，讀取的主軸電機(jī)實(shí)際負(fù)載值，并和上、下極限負(fù)載值進(jìn)行比較，進(jìn)而判斷刀具是否破損。刀具破損和主軸電機(jī)負(fù)載的關(guān)系簡化為 :
（1）刀具磨損或崩刃后，電流的最大值增大，負(fù)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(yùn)行一樣，電流很小，負(fù)載很小 ; ②部分折斷 : 接觸工件前，和空運(yùn)行一樣，負(fù)載很小 ; 接觸工件后，和崩刃相似，負(fù)載明顯增大。
該方案的技術(shù)路線如圖 1 所示。
圖 1 技術(shù)路線
二、負(fù)載預(yù)設(shè)的實(shí)現(xiàn)
當(dāng)加工內(nèi)容、刀具的規(guī)格與型號、加工的工藝參數(shù)（比如主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、吃刀量…）等確定之后，便可以進(jìn)行負(fù)載的預(yù)設(shè)。為了方便描述，本文以 1 號刀具為例進(jìn)行說明。
選擇預(yù)設(shè)模式。在切削加工條件下，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速到達(dá)以后，每隔一秒進(jìn)行一次主軸電機(jī)負(fù)載數(shù)據(jù)的采集，并將采集到的數(shù)據(jù)寫到以 D2000 為首地址的數(shù)據(jù)表中。即便此時刀具沒有破損現(xiàn)象 ,主軸電機(jī)負(fù)載處于正常狀態(tài)，但是也可能由于材質(zhì)不均等其他外部因素，導(dǎo)致負(fù)載會在一定范圍內(nèi)波動。因此，負(fù)載數(shù)據(jù)的采集工作通常需要在多次切削加工中重復(fù)進(jìn)行，力求采樣數(shù)據(jù)充分完備，如圖 2 流程所示。
圖 2 負(fù)載預(yù)設(shè)流程圖
1.負(fù)載預(yù)設(shè)模式
為了方便操作，在機(jī)床操作面板上設(shè)計(jì)了 “預(yù)設(shè)” 按鍵。按一下該按鍵，按鍵燈亮，即進(jìn)入預(yù)設(shè)模式 ; 再按一下按鍵，按鍵燈滅，即進(jìn)入到了正常的監(jiān)測模式。這里選擇預(yù)設(shè)模式。
2.采集實(shí)際負(fù)載值
采集的實(shí)際負(fù)載值為當(dāng)前加工狀態(tài)主軸電機(jī)的負(fù)載值。FANUC 系統(tǒng)提供了一種可以對 CNC的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫的功能指令——窗口功能。這里用來讀取 “主軸電機(jī)的負(fù)載值”。應(yīng)用時，需要對該功能指令的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖 3 所示，其中，讀取主軸電機(jī)負(fù)載信息時，對應(yīng)的功能代碼是 “153” ; 數(shù)據(jù)數(shù) N 為 0，表示讀取第一主軸負(fù)載 ; 數(shù)據(jù)屬性為 0。采集到的實(shí)際負(fù)載值存儲在數(shù)據(jù)區(qū) R2010 中，負(fù)載值為無符號的二進(jìn)制數(shù)，占用 2 個字節(jié)。梯形圖如圖 4 所示。
3.負(fù)載預(yù)設(shè)過程
無論是讀數(shù)據(jù)，還是寫數(shù)據(jù)，都要用到數(shù)據(jù)表。數(shù)據(jù)表的實(shí)質(zhì)是規(guī)劃的一片 D 地址區(qū)域，這里的 D 地址用來存儲負(fù)載值，該負(fù)載值是主軸電機(jī)負(fù)載，且對應(yīng)于主軸刀號。表容量、首地址、表內(nèi)號是數(shù)據(jù)表常用的概念。
①表容量 : 這里數(shù)據(jù)表的表容量存儲在D0006 中，設(shè)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。
圖 3 讀取主軸電機(jī)負(fù)載值時的輸入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
圖 4 窗口功能讀取
②首地址 : 這里數(shù)據(jù)表的首地址為 D2000，每個負(fù)載值占用 2 個字節(jié)，數(shù)據(jù)表 D 地址范圍為D2000~D2044。
③表內(nèi)號 : 數(shù)據(jù)表的表內(nèi)號從 0 開始 , 這里表內(nèi)號范圍為 0~23。 “表內(nèi)號 - 主軸刀號 - 采樣值存儲 D 地址” 之間的對應(yīng)關(guān)系見表 1。
執(zhí)行換刀操作T1M6后,主軸刀號D0000=1,表內(nèi)號 D0015=D0000-1=0。
（1）讀數(shù)據(jù)
指從數(shù)據(jù)表中讀取相應(yīng)刀具的主軸電機(jī)負(fù)載值，基于表內(nèi)號來進(jìn)行。應(yīng)用功能指令 XMOVB。1 號刀具對應(yīng)表內(nèi)號 0, 因此，將 D0015=0 時對應(yīng)負(fù)載值（初次讀時負(fù)載值為 0）讀到 R2100。
表 1 數(shù)據(jù)表 - 預(yù)設(shè)前
（2）比較數(shù)據(jù)
指用R2100和讀取的實(shí)際負(fù)載值R2010進(jìn)行比較，所用的功能指令為 COMP: 二進(jìn)制數(shù)據(jù)大小判別。該指令可比較 1、2、4 字節(jié)長的二進(jìn)制數(shù)據(jù)之間的大小，比較結(jié)果存放在運(yùn)算結(jié)果寄存器（R9000）中。
當(dāng)數(shù)據(jù)表中對應(yīng)的負(fù)載值R2100大于讀取的實(shí)際負(fù)載值 R2010 時，R9000.1=0。當(dāng)數(shù)據(jù)表中對應(yīng)的負(fù)載值R2100小于讀取的實(shí)際負(fù)載值 R2010 時，R9000.1=1。此時 1 號刀具對應(yīng) R2100=0, 實(shí)際負(fù)載值R2010=4011, 可得 R9000.1=1。
（3）寫數(shù)據(jù)
R9000.1=0 時 , 數(shù)據(jù)表不被更新。
R9000.1=1 時 , 數(shù)據(jù)表會被更新。
這里的更新，即寫數(shù)據(jù)，將讀取的實(shí)際負(fù)載值寫入數(shù)據(jù)表對應(yīng)的地址 , 應(yīng)用功能指令XMOVB。
這里，1號刀具對應(yīng)的實(shí)際負(fù)載數(shù)據(jù)為R2010=4011，且 R9000.1=1，表內(nèi)號 D0015=0，對應(yīng)的數(shù)據(jù)表地址為 D2000，見表 2。
同樣的道理，對其他刀具進(jìn)行負(fù)載采集，并且往往需要進(jìn)行多次加工循環(huán)的重復(fù)地、充分地采集，梯形圖如圖 5 所示，最終形成的數(shù)據(jù)見表 3。其中，數(shù)據(jù)表中為 0 的數(shù)據(jù)，表示相應(yīng)的刀具號在加工程序中沒有用到。
至此，負(fù)載預(yù)設(shè)完成。退出負(fù)載預(yù)設(shè)模式，進(jìn)行負(fù)載監(jiān)測。
表 2 數(shù)據(jù)表 - 寫數(shù)據(jù)
圖 5 負(fù)載預(yù)設(shè)模式
三、負(fù)載監(jiān)測模式
切削狀態(tài)下，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速到達(dá)以后，讀取主軸電機(jī)的實(shí)際負(fù)載值，使之與極限負(fù)載值進(jìn)行實(shí)時的比較，負(fù)載監(jiān)測過程的流程圖如圖 6 所示。
圖 6 負(fù)載監(jiān)測流程圖
1.極限負(fù)載值
極限負(fù)載值包括上限負(fù)載值和下限負(fù)載值。下限負(fù)載值為設(shè)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(fù)載值，且小于每把刀具正常切削時的負(fù)載值，比如設(shè)置為 500。
表 3 數(shù)據(jù)表 - 預(yù)設(shè)完成
上限負(fù)載值 = 預(yù)設(shè)值 × 上限因子其中，上限因子是人為設(shè)計(jì)的參數(shù)。這里應(yīng)用功能指令 DIVB 和 MULB。
參數(shù)號 :D2148設(shè)定單位 :%設(shè)定范圍 :100~32767比如，負(fù)載因子設(shè)置值為 120 時，表示上限負(fù)載值為預(yù)設(shè)負(fù)載值的 120%。
執(zhí)行 T1M6 之后，1 號刀具交換到了主軸。讀取預(yù)設(shè)值后，R2100=4540。那么，對于 1 號刀具而言，由 PLC 計(jì)算上限負(fù)載值 :
R2104=4540×120%=5400
2.刀具破損監(jiān)測
對主軸電機(jī)的實(shí)際負(fù)載值 R2010 和上、下限負(fù)載值進(jìn)行實(shí)時的比較。若實(shí)際負(fù)載值 R2010 大于上限負(fù)載值R2104，或小于下限負(fù)載值D2100,超過設(shè)置時間后，則認(rèn)為刀具出現(xiàn)破損情況，進(jìn)入進(jìn)給保持模式，且顯示報(bào)警信息 :
OPM170 刀具破損此時，檢查刀具。負(fù)載監(jiān)測模式下的梯形圖如圖 7 所示。
圖 7 負(fù)載監(jiān)測模式
目前，該方法已成功地應(yīng)用于我公司立臥式加工中心，也可以拓展應(yīng)用到車削中心中來。本文是基于 FANUC 數(shù)控系統(tǒng) 0i-MF 為例進(jìn)行介紹的，對于其他廠家的數(shù)控系統(tǒng)，也可做參考。
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