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加工中心刀具破損監測的一種實現方法

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為 : 刀具的磨損、崩刃和折斷。加工中，如果刀具出現破損，則會對加工效率和加工質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測，以便于操作者可以及時地采取相應的措施。

有統計表明，機床停機時間的 20% 是由刀具的破損引起的。研究表明，準確可靠的在線監測系統可增加切削速度 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，并且涉及到安裝和維護，這意味著增加成本和調試難度。

本文提出了一種基于主軸電機負載的刀具破損監測方法。該方法充分挖掘應用數控系統中的特征數據，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 數控系統為例進行介紹。

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，并將采集到的數據寫到指定的地址中，形成針對所有刀具的主軸電機負載表，簡稱為數據表。通過數據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

當加工內容、刀具的規格與型號、加工的工藝參數（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據的采集，并將采集到的數據寫到以 D2000 為首地址的數據表中。即便此時刀具沒有破損現象 ,主軸電機負載處于正常狀態，但是也可能由于材質不均等其他外部因素，導致負載會在一定范圍內波動。因此，負載數據的采集工作通常需要在多次切削加工中重復進行，力求采樣數據充分完備，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主軸電機的負載值。FANUC 系統提供了一種可以對 CNC的數據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據進行設置，數據結構如圖 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” ; 數據數 N 為 0，表示讀取第一主軸負載 ; 數據屬性為 0。采集到的實際負載值存儲在數據區 R2010 中，負載值為無符號的二進制數，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，還是寫數據，都要用到數據表。數據表的實質是規劃的一片 D 地址區域，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、表內號是數據表常用的概念。

①表容量 : 這里數據表的表容量存儲在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。