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加工中心刀具破損監(jiān)測的一種實現(xiàn)方法

2025-4-11 來源：北京工研精機股份有限公司作者：肖博劉賀強

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、切削負載增大、無吃刀等。針對這種情況，希望能及時的進行監(jiān)測，以便于操作者可以及時地采取相應的措施。

有統(tǒng)計表明，機床停機時間的 20% 是由刀具的破損引起的。研究表明，準確可靠的在線監(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傳感器，數(shù)據(jù)的分析處理設備，并且涉及到安裝和維護，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負載的刀具破損監(jiān)測方法。該方法充分挖掘應用數(shù)控系統(tǒng)中的特征數(shù)據(jù)，無需額外增加硬件設備，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的負載值，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負載表，簡稱為數(shù)據(jù)表。通過數(shù)據(jù)表進而可得極限負載值，包括上極限負載值和下極限負載值。在實際加工過程中，讀取的主軸電機實際負載值，并和上、下極限負載值進行比較，進而判斷刀具是否破損。刀具破損和主軸電機負載的關系簡化為 :

（1）刀具磨損或崩刃后，電流的最大值增大，負載會明顯增大。

（2）刀具折斷常常有完全折斷和部分折斷兩種 : ①完全折斷 : 電流和空運行一樣，電流很小，負載很小 ; ②部分折斷 : 接觸工件前，和空運行一樣，負載很小 ; 接觸工件后，和崩刃相似，負載明顯增大。

該方案的技術路線如圖 1 所示。

圖 1 技術路線

二、負載預設的實現(xiàn)

當加工內(nèi)容、刀具的規(guī)格與型號、加工的工藝參數(shù)（比如主軸轉速、進給速度、吃刀量…）等確定之后，便可以進行負載的預設。為了方便描述，本文以 1 號刀具為例進行說明。

選擇預設模式。在切削加工條件下，當主軸轉速到達以后，每隔一秒進行一次主軸電機負載數(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 ,主軸電機負載處于正常狀態(tài)，但是也可能由于材質(zhì)不均等其他外部因素，導致負載會在一定范圍內(nèi)波動。因此，負載數(shù)據(jù)的采集工作通常需要在多次切削加工中重復進行，力求采樣數(shù)據(jù)充分完備，如圖 2 流程所示。

圖 2 負載預設流程圖

1.負載預設模式

為了方便操作，在機床操作面板上設計了 “預設” 按鍵。按一下該按鍵，按鍵燈亮，即進入預設模式 ; 再按一下按鍵，按鍵燈滅，即進入到了正常的監(jiān)測模式。這里選擇預設模式。

2.采集實際負載值

采集的實際負載值為當前加工狀態(tài)主軸電機的負載值。FANUC 系統(tǒng)提供了一種可以對 CNC的數(shù)據(jù)進行讀寫的功能指令——窗口功能。這里用來讀取 “主軸電機的負載值”。應用時，需要對該功能指令的輸入數(shù)據(jù)進行設置，數(shù)據(jù)結構如圖 3 所示，其中，讀取主軸電機負載信息時，對應的功能代碼是 “153” ; 數(shù)據(jù)數(shù) N 為 0，表示讀取第一主軸負載 ; 數(shù)據(jù)屬性為 0。采集到的實際負載值存儲在數(shù)據(jù)區(qū) R2010 中，負載值為無符號的二進制數(shù)，占用 2 個字節(jié)。梯形圖如圖 4 所示。

3.負載預設過程

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 地址用來存儲負載值，該負載值是主軸電機負載，且對應于主軸刀號。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 讀取主軸電機負載值時的輸入數(shù)據(jù)結構

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” 之間的對應關系見表 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)表中讀取相應刀具的主軸電機負載值，基于表內(nèi)號來進行。應用功能指令 XMOVB。1 號刀具對應表內(nèi)號 0, 因此，將 D0015=0 時對應負載值（初次讀時負載值為 0）讀到 R2100。

表 1 數(shù)據(jù)表 - 預設前

（2）比較數(shù)據(jù)

指用R2100和讀取的實際負載值R2010進行比較，所用的功能指令為 COMP: 二進制數(shù)據(jù)大小判別。該指令可比較 1、2、4 字節(jié)長的二進制數(shù)據(jù)之間的大小，比較結果存放在運算結果寄存器（R9000）中。

當數(shù)據(jù)表中對應的負載值R2100大于讀取的實際負載值 R2010 時，R9000.1=0。當數(shù)據(jù)表中對應的負載值R2100小于讀取的實際負載值 R2010 時，R9000.1=1。此時 1 號刀具對應 R2100=0, 實際負載值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)，將讀取的實際負載值寫入數(shù)據(jù)表對應的地址 , 應用功能指令XMOVB。

這里，1號刀具對應的實際負載數(shù)據(jù)為R2010=4011，且 R9000.1=1，表內(nèi)號 D0015=0，對應的數(shù)據(jù)表地址為 D2000，見表 2。

同樣的道理，對其他刀具進行負載采集，并且往往需要進行多次加工循環(huán)的重復地、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)，表示相應的刀具號在加工程序中沒有用到。

至此，負載預設完成。退出負載預設模式，進行負載監(jiān)測。

表 2 數(shù)據(jù)表 - 寫數(shù)據(jù)