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加工中心刀具破损监测的一种实现方法

2025-4-11 来源：北京工研精机股份有限公司作者：肖博刘贺强

一、问题的提出

刀具的破损主要表现为 : 刀具的磨损、崩刃和折断。加工中，如果刀具出现破损，则会对加工效率和加工质量造成一定程度的影响。比如，工件的加工精度降低、表面粗糙度增大、切削温度升高、切削振动、切削负载增大、无吃刀等。针对这种情况，希望能及时的进行监测，以便于操作者可以及时地采取相应的措施。

有统计表明，机床停机时间的 20% 是由刀具的破损引起的。研究表明，准确可靠的在线监测系统可增加切削速度 10%~50%，总的加工成本可以节省 10%~40%。这往往需要增加相关传感器，数据的分析处理设备，并且涉及到安装和维护，这意味着增加成本和调试难度。

本文提出了一种基于主轴电机负载的刀具破损监测方法。该方法充分挖掘应用数控系统中的特征数据，无需额外增加硬件设备，具备较高精度，可以满足通常的使用需求。文章以 FANUC0i-MF 数控系统为例进行介绍。

针对具体的刀具，在正常加工工况下充分采集主轴电机的负载值，并将采集到的数据写到指定的地址中，形成针对所有刀具的主轴电机负载表，简称为数据表。通过数据表进而可得极限负载值，包括上极限负载值和下极限负载值。在实际加工过程中，读取的主轴电机实际负载值，并和上、下极限负载值进行比较，进而判断刀具是否破损。刀具破损和主轴电机负载的关系简化为 :

（1）刀具磨损或崩刃后，电流的最大值增大，负载会明显增大。

（2）刀具折断常常有完全折断和部分折断两种 : ①完全折断 : 电流和空运行一样，电流很小，负载很小 ; ②部分折断 : 接触工件前，和空运行一样，负载很小 ; 接触工件后，和崩刃相似，负载明显增大。

该方案的技术路线如图 1 所示。

图 1 技术路线

二、负载预设的实现

当加工内容、刀具的规格与型号、加工的工艺参数（比如主轴转速、进给速度、吃刀量…）等确定之后，便可以进行负载的预设。为了方便描述，本文以 1 号刀具为例进行说明。

选择预设模式。在切削加工条件下，当主轴转速到达以后，每隔一秒进行一次主轴电机负载数据的采集，并将采集到的数据写到以 D2000 为首地址的数据表中。即便此时刀具没有破损现象 ,主轴电机负载处于正常状态，但是也可能由于材质不均等其他外部因素，导致负载会在一定范围内波动。因此，负载数据的采集工作通常需要在多次切削加工中重复进行，力求采样数据充分完备，如图 2 流程所示。

图 2 负载预设流程图

1.负载预设模式

为了方便操作，在机床操作面板上设计了 “预设” 按键。按一下该按键，按键灯亮，即进入预设模式 ; 再按一下按键，按键灯灭，即进入到了正常的监测模式。这里选择预设模式。

2.采集实际负载值

采集的实际负载值为当前加工状态主轴电机的负载值。FANUC 系统提供了一种可以对 CNC的数据进行读写的功能指令——窗口功能。这里用来读取 “主轴电机的负载值”。应用时，需要对该功能指令的输入数据进行设置，数据结构如图 3 所示，其中，读取主轴电机负载信息时，对应的功能代码是 “153” ; 数据数 N 为 0，表示读取第一主轴负载 ; 数据属性为 0。采集到的实际负载值存储在数据区 R2010 中，负载值为无符号的二进制数，占用 2 个字节。梯形图如图 4 所示。

3.负载预设过程

无论是读数据，还是写数据，都要用到数据表。数据表的实质是规划的一片 D 地址区域，这里的 D 地址用来存储负载值，该负载值是主轴电机负载，且对应于主轴刀号。表容量、首地址、表内号是数据表常用的概念。

①表容量 : 这里数据表的表容量存储在D0006 中，设置 24。用 D 地址来存储表容量，这样即使梯形图在写入 ROM 后依然可以快速改变表容量。