加（jiā）工中（zhōng）心刀具破損監測的一種實現方法
2025-4-11 來（lái）源： 北京（jīng）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為 : 刀具的（de）磨損、崩（bēng）刃和（hé）折斷。加（jiā）工中，如果刀具出現破損，則會（huì）對加（jiā）工效率和加工（gōng）質量造成一定（dìng）程度的影響。比如，工件的加工精度（dù）降低、表麵粗糙度增（zēng）大、切削溫度升高（gāo）、切削振（zhèn）動、切削負載（zǎi）增大、無吃刀等。針對這種情況，希望能及時的進行監測，以（yǐ）便於操作者可以（yǐ）及（jí）時地采取相應的措施。
有統計（jì）表明，機床停機（jī）時間的（de） 20% 是由刀具的破損引起（qǐ）的。研究表（biǎo）明，準確可靠的在線監測係統可增（zēng）加（jiā）切削速度 10%~50%，總的加工成本可以節省 10%~40%。這往往需要增加相關傳感器，數據的分析處理設備，並且涉及到安裝（zhuāng）和維護，這意味著增加成（chéng）本和調試難度。
本文提出了一種基於主軸電機負（fù）載（zǎi）的刀具破損監測方法。該方（fāng）法充分挖掘應用數控係統中的特征數據，無需額外增加（jiā）硬件設備（bèi），具備較高精度，可以滿足通常的使用需求（qiú）。文章以 FANUC0i-MF 數控係統為例進行介紹。
針對具體的（de）刀具，在正（zhèng）常加工工況下充分采集主軸電機的負載值，並將（jiāng）采集（jí）到的數據寫到指（zhǐ）定的（de）地址中，形成針對所有刀具的主軸電機負（fù）載表，簡稱（chēng）為（wéi）數據表。通過數據表進而可得極限負載值，包括上（shàng）極限負載值和（hé）下極限負載值。在（zài）實際加工過程中，讀取的主軸電機實際負載值，並和上、下極限負載值進行比較，進而判斷刀具是否破（pò）損。刀具破損和主軸電機負載的關係（xì）簡化為 :
（1）刀具磨損或崩刃後，電流的最大值增大，負（fù）載會明（míng）顯增大。
（2）刀具折斷常（cháng）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（yī）樣，負載很小 ; 接觸工件後，和崩刃相似，負載明（míng）顯增大。
該（gāi）方案的技術路線如圖 1 所示。
圖 1 技術路線（xiàn）
二、負載（zǎi）預設的實現
當加工內容、刀具的規格與（yǔ）型號（hào）、加工的工藝參（cān）數（比如主軸轉速、進給（gěi）速度、吃刀量…）等確定之後，便可以進行負（fù）載的（de）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（dào）達以後，每隔一秒進行一次（cì）主軸電機負載數據的（de）采集，並將采（cǎi）集到（dào）的數據寫到（dào）以 D2000 為首地址的數據表中。即便此時刀（dāo）具沒有破損現象 ,主軸電機負載處於正常狀態，但是也可能由於（yú）材質不均等（děng）其他外部因素，導致負載會在（zài）一（yī）定範圍內波動。因此，負載數據的采集工作通（tōng）常需要在多次切削加工中重複進行，力求采（cǎi）樣數據充分完備，如圖 2 流程所示。
圖 2 負載預設流程圖
1.負載（zǎi）預設模式
為了方便操作，在機床（chuáng）操作麵板上（shàng）設計了 “預設” 按鍵。按一下該按鍵，按鍵燈亮，即進入預設模（mó）式 ; 再按一下按鍵，按鍵燈滅，即進入到了正常的監測模（mó）式。這裏選擇預設模式。
2.采集實際負載值
采集的實際負（fù）載值為當前加工狀態主軸電機的負載值。FANUC 係統提供了一種可（kě）以對 CNC的數據進行讀寫的功能指（zhǐ）令——窗口功能（néng）。這裏（lǐ）用來讀取 “主軸電機的負載值”。應用（yòng）時（shí），需要（yào）對該功（gōng）能指令的輸入數據（jù）進行（háng）設置，數據結構如圖 3 所示，其中，讀取主軸電機（jī）負載信息時，對（duì）應的功能代碼是 “153” ; 數據數 N 為 0，表示（shì）讀取第一主軸負載（zǎi） ; 數據屬性為 0。采集到的實際負載值（zhí）存儲在數據區 R2010 中，負載值（zhí）為無符號的二進製數，占用 2 個字節。梯形圖如圖 4 所示。
3.負載預設過程
無論是讀數據，還（hái）是寫數據，都要用到（dào）數據表。數據表的實質是規（guī）劃（huá）的一片 D 地址區域，這裏的（de） D 地址用來存儲負載值，該負載值是主軸電機負載，且對應於主軸刀號。表容量、首地址、表內號是數據表常用的概（gài）念。
①表容量 : 這裏數（shù）據表的（de）表容量存儲在D0006 中，設置 24。用 D 地址來存儲表（biǎo）容量，這樣即使梯形圖在寫入 ROM 後依然可以快速改變表容量。
圖 3 讀取主軸（zhóu）電機負載值（zhí）時的輸入數據結（jié）構
圖 4 窗口功能讀取
②首地址 : 這裏數據表的首（shǒu）地址為 D2000，每個負載值占用 2 個字節，數據表 D 地址範圍為D2000~D2044。
③表內號 : 數據表的表（biǎo）內號從 0 開始 , 這裏表內（nèi）號範圍為 0~23。 “表內號 - 主軸刀號 - 采樣值存儲 D 地址” 之間的對應關係見表（biǎo） 1。
執行換刀操作T1M6後,主軸刀號D0000=1,表內（nèi）號 D0015=D0000-1=0。
（1）讀數據
指從數據表中讀取相應刀具的主軸電（diàn）機負載值，基於表內號來進行。應用功（gōng）能指令（lìng） XMOVB。1 號刀具對應表內號 0, 因此（cǐ），將 D0015=0 時對應負載值（初次讀時負（fù）載值（zhí）為 0）讀到 R2100。
表 1 數據表 - 預設前
（2）比較數據
指用R2100和讀取的實際負載值（zhí）R2010進行比（bǐ）較，所用的功能指令為 COMP: 二進製數據大小判（pàn）別。該指令可比較 1、2、4 字節長的二進製數據之間的大小，比較（jiào）結果存放（fàng）在運算結果寄（jì）存器（R9000）中。
當數據表中對應的負載值R2100大於讀取的實際負載值 R2010 時，R9000.1=0。當（dāng）數（shù）據表中對應的負載值R2100小於讀取的實際（jì）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（kě）得 R9000.1=1。
（3）寫數據
R9000.1=0 時 , 數據表不被更新。
R9000.1=1 時 , 數據表會被更（gèng）新。
這裏的更新，即寫數據，將（jiāng）讀取的實際負載值寫入數據表對應的地址 , 應用功能指令（lìng）XMOVB。
這裏，1號刀具對應的實際負（fù）載數據為R2010=4011，且 R9000.1=1，表內號 D0015=0，對應的數據表地址為 D2000，見表 2。
同樣的（de）道理，對其（qí）他刀具進行負載采集，並（bìng）且往往需（xū）要進行多次加工循環的重複地、充分地采集，梯形圖如圖 5 所示，最終形成的（de）數據見表（biǎo） 3。其中，數據表中為 0 的數據，表（biǎo）示相應的刀具號在加工程序中沒有用到。
至（zhì）此，負載預設完成。退出負載預設模式，進行負載監測。
表 2 數據表（biǎo） - 寫數據
圖 5 負載預設模式
三、負（fù）載監（jiān）測模式
切削狀態下，當主軸轉速到達以後，讀取主軸電機的實際負載值，使之與極限負載值進行實時（shí）的比較，負載監測過程的（de）流程圖如圖 6 所示。
圖 6 負載監測流程圖
1.極（jí）限負載值
極限負載值包括上限負（fù）載值和下限負載值。下（xià）限負載值為設定在 D2100 中的固（gù）定值，通（tōng）常，該值（zhí）大（dà）於任一把（bǎ）刀具（jù）空切削時的負載值，且小於每把刀具正常切（qiē）削時的負載（zǎi）值，比如設置為 500。
表 3 數據表 - 預設完成
上限負載值 = 預設值 × 上限因子其中，上限因子是人為設計的參數（shù）。這裏應用功能指令 DIVB 和 MULB。
參數（shù）號 :D2148設定（dìng）單位 :%設定範圍 :100~32767比如，負載因子（zǐ）設置值為 120 時，表示（shì）上限負載值為預設負載值的 120%。
執行 T1M6 之後，1 號刀具交換到了主軸（zhóu）。讀取預設值後，R2100=4540。那麽（me），對於 1 號刀具而言，由 PLC 計（jì）算上限負載值 :
R2104=4540×120%=5400
2.刀具破損監測
對主軸電機的實（shí）際負載值 R2010 和上（shàng）、下限負載值進行實時的比較。若實際（jì）負載值 R2010 大於上限負載值R2104，或小（xiǎo）於下限負載值D2100,超過設置時間後，則認為刀具出現破損情況，進入進給保持模式，且顯示報警信息 :
OPM170 刀具破損此時，檢查刀具。負載監測模式下的梯形圖（tú）如（rú）圖 7 所示（shì）。
圖 7 負載監測模式
目前，該方（fāng）法已（yǐ）成功地應用於我（wǒ）公司立（lì）臥式加工中心，也可以拓展應用（yòng）到（dào）車削中心中來。本文（wén）是基於 FANUC 數控係統 0i-MF 為例進行介紹的，對（duì）於其他廠家的數控係統，也可做參考（kǎo）。
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