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加工中心刀具破损监测的一种实现方法

2023-8-25 来源：北京工研精机股份有限公司作者：肖博刘贺强戴玉红吴同宣于光旭

【摘要】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进行预设，形成针对所有刀具的主轴电机负载表，即数据表，进而可得极限负载值。在实际加工过程中，用读取的实际负载值和极限负载值进行比较，判断刀具是否破损。

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 [1]。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%[2]。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FANUC 0i-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[3]：

（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[4]，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。

图3 读取主轴电机负载值时的输入数据结构

图4 窗口功能读取

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。

②首地址：这里数据表的首地址为D2000，每个负载值占用2个字节，数据表D地址范围为D2000~D2044。

③表内号：数据表的表内号从0开始,这里表内号范围为0~23。 “表内号-主轴刀号-采样值存储D地址”之间的对应关系见表1。

表1 数据表-预设前

（1）读数据

指从数据表中读取相应刀具的主轴电机负载值，基于表内号来进行。应用功能指令XMOVB[4]。1号刀具对应表内号0,因此，将D0015=0时对应负载值（初次读取时负载值为0）读到R2100。

（2）比较数据

指用R2100和读取的实际负载值R2010进行比较，所用的功能指令为COMPB[4]: 二进制数据大小判别。该指令可比较1、2、4字节长的二进制数据之间的大小，比较结果存放在运算结果寄存器（R9000）中。

当数据表中对应的负载值R2100大于读取的实际负载值R2010时，R9000.1=0。

当数据表中对应的负载值R2100小于读取的实际负载值R2010时，R9000.1=1。

此时1号刀具对应R2100=0, 实际负载值R2010=4011,可得 R9000.1=1。

（3）写数据

R9000.1=0时, 数据表不被更新。

R9000.1=1时, 数据表会被更新。

这里的更新，即写数据，将读取的实际负载值写入数据表对应的地址,应用功能指令XMOVB[4]。这里，1号刀具对应的实际负载数据为R2010=4011，且R9000.1=1，表内号D0015=0，对应的数据表地址为D2000，见表2。

表2 数据表-写数据

同样的道理，对其他刀具进行负载采集，并且往往需要进行多次加工循环的重复地、充分地采集，梯形图如图5所示，最终形成的数据见表3。其中，数据表中为0的数据，表示相应的刀具号在加工程序中没有用到。

至此，负载预设完成。退出负载预设模式，进行负载监测。

图5负载预设模式

表3 数据表-预设完成

三、负载监测模式

切削状态下，当主轴转速到达以后，读取主轴电机的实际负载值，使之与极限负载值进行实时的比较，负载监测过程的流程图如图6所示。

图6 负载监测流程图

1.极限负载值

极限负载值包括上限负载值和下限负载值。下限负载值为设定在D2100中的固定值，通常，该值大于任一把刀具空切削时的负载值，且小于每把刀具正常切削时的负载值，比如设置为500。

上限负载值=预设值×上限因子其中，上限因子是人为设计的参数。这里应用功能指令DIVB和MULB[4]。参数号：D2148设定单位：%设定范围：100~32767比如，负载因子设置值为120时，表示上限负载值为预设负载值的120%。执行T1M6之后，1号刀具交换到了主轴。读取预设值后，R2100=4540。那么，对于1号刀具而言，由PLC计算上限负载值： R2104=4540×120%=5400

2.刀具破损监测

对主轴电机的实际负载值R2010和上、下限负载值进行实时的比较。

若实际负载值R2010大于上限负载值R2104，或小于下限负载值D2100,且超过设置时间后，则认为刀具出现破损情况，进入进给保持模式，且显示报警信息：

OPM170 刀具破损此时，检查刀具。负载监测模式下的梯形图如图7所示。