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加工中心刀具破損監(jiān)測(cè)的一種實(shí)現(xiàn)方法

2023-8-25 來源：北京工研精機(jī)股份有限公司作者：肖博劉賀強(qiáng) 戴玉紅吳同宣于光旭

【摘要】針對(duì)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)載值并進(jìn)行預(yù)設(shè)，形成針對(duì)所有刀具的主軸電機(jī)負(fù)載表，即數(shù)據(jù)表，進(jìn)而可得極限負(fù)載值。在實(shí)際加工過程中，用讀取的實(shí)際負(fù)載值和極限負(fù)載值進(jìn)行比較，判斷刀具是否破損。

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(huì)對(duì)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(dòng)、切削負(fù)載增大、無吃刀等。針對(duì)這種情況，希望能及時(shí)的進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便于操作者可以及時(shí)地采取相應(yīng)的措施。

有統(tǒng)計(jì)表明，機(jī)床停機(jī)時(shí)間的 20%是由刀具的破損引起的 [1]。研究表明，準(zhǔn)確可靠的在線監(jiān)測(cè)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%[2]。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(cè)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FANUC 0i-MF數(shù)控系統(tǒng)為例進(jìn)行介紹。

針對(duì)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(duì)所有刀具的主軸電機(jī)負(fù)載表，簡(jiǎn)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(jiǎn)化為[3]：

（1）刀具磨損或崩刃后，電流的最大值增大，負(fù)載會(huì)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(hào)、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(hào)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(shí)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(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。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(cè)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(duì)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(shí)，需要對(duì)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[4]，其中，讀取主軸電機(jī)負(fù)載信息時(shí)，對(duì)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(chǔ)在數(shù)據(jù)區(qū)R2010中，負(fù)載值為無符號(hào)的二進(jìn)制數(shù)，占用2個(gè)字節(jié)。梯形圖如圖4所示。

圖3 讀取主軸電機(jī)負(fù)載值時(shí)的輸入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

圖4 窗口功能讀取

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(chǔ)負(fù)載值，該負(fù)載值是主軸電機(jī)負(fù)載，且對(duì)應(yīng)于主軸刀號(hào)。表容量、首地址、表內(nèi)號(hào)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(chǔ)在D0006中，設(shè)置24。用D地址來存儲(chǔ)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。

②首地址：這里數(shù)據(jù)表的首地址為D2000，每個(gè)負(fù)載值占用2個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)表D地址范圍為D2000~D2044。

③表內(nèi)號(hào)：數(shù)據(jù)表的表內(nèi)號(hào)從0開始,這里表內(nèi)號(hào)范圍為0~23。 “表內(nèi)號(hào)-主軸刀號(hào)-采樣值存儲(chǔ)D地址”之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 數(shù)據(jù)表-預(yù)設(shè)前

（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(hào)來進(jìn)行。應(yīng)用功能指令XMOVB[4]。1號(hào)刀具對(duì)應(yīng)表內(nèi)號(hào)0,因此，將D0015=0時(shí)對(duì)應(yīng)負(fù)載值（初次讀取時(shí)負(fù)載值為0）讀到R2100。

（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COMPB[4]: 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(zhǎng)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(duì)應(yīng)的負(fù)載值R2100大于讀取的實(shí)際負(fù)載值R2010時(shí)，R9000.1=0。

當(dāng)數(shù)據(jù)表中對(duì)應(yīng)的負(fù)載值R2100小于讀取的實(shí)際負(fù)載值R2010時(shí)，R9000.1=1。

此時(shí)1號(hào)刀具對(duì)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(shí), 數(shù)據(jù)表不被更新。

R9000.1=1時(shí), 數(shù)據(jù)表會(huì)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(duì)應(yīng)的地址,應(yīng)用功能指令XMOVB[4]。這里，1號(hào)刀具對(duì)應(yīng)的實(shí)際負(fù)載數(shù)據(jù)為R2010=4011，且R9000.1=1，表內(nèi)號(hào)D0015=0，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表地址為D2000，見表2。

表2 數(shù)據(jù)表-寫數(shù)據(jù)

同樣的道理，對(duì)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(hào)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(cè)。

圖5負(fù)載預(yù)設(shè)模式

表3 數(shù)據(jù)表-預(yù)設(shè)完成

三、負(fù)載監(jiān)測(cè)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(shí)的比較，負(fù)載監(jiān)測(cè)過程的流程圖如圖6所示。

圖6 負(fù)載監(jiān)測(cè)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(shí)的負(fù)載值，且小于每把刀具正常切削時(shí)的負(fù)載值，比如設(shè)置為500。

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[4]。參數(shù)號(hào)：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(shí)，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(hào)刀具交換到了主軸。讀取預(yù)設(shè)值后，R2100=4540。那么，對(duì)于1號(hào)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(cè)

對(duì)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(shí)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,且超過設(shè)置時(shí)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(shí)，檢查刀具。負(fù)載監(jiān)測(cè)模式下的梯形圖如圖7所示。

圖7 負(fù)載監(jiān)測(cè)模式

四、應(yīng)用展望

該方案不需用額外地增加其他任何硬件設(shè)備，在一定意義上說，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目“零成本”。功能思路清晰、操作性強(qiáng)，人機(jī)交互友好，可以有效地應(yīng)對(duì)由于加工中的刀具破損對(duì)加工效率和質(zhì)量造成的不良影響。這對(duì)于合理地組織生產(chǎn)，科學(xué)地使用機(jī)床，提高機(jī)床的智能化水平，具有積極的意義。

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(duì)于其他廠家的數(shù)控系統(tǒng)，也可做參考。

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