數(shù)控機(jī)床刀具破損檢測功能開發(fā)

■寧夏小巨人機(jī)床有限公司 （銀川 750002） 常 強(qiáng) 張 鑫

摘要：本文針對數(shù)控機(jī)床加工效率、成本控制再提高問題，提出從機(jī)床功能控制方面的進(jìn)一步完善方案，即充分利用數(shù)控設(shè)備的換刀過程，達(dá)到不占用原加工程序的加工節(jié)拍，對所需刀具進(jìn)行破損檢測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，達(dá)到效率提高、成本降低的目的。

1. 開發(fā)背景

圖 1

如圖1所示，早期的刀具破損檢測裝置安裝在工作區(qū)內(nèi)，加工單元結(jié)束后需要進(jìn)行刀尖路徑控制TPC（TOOL PATH CONTROL）完成破損檢測判斷，雖然價(jià)格低廉、操作簡單，但面對緊張的節(jié)拍要求已經(jīng)毫無競爭力。此外，龐大的夾具體以及刀具交換的干涉限制，使得標(biāo)準(zhǔn)的破損檢測裝置在工作區(qū)已經(jīng)沒有立足之地。如圖2所示的原臥式加工中心機(jī)型TBD方案，在刀庫內(nèi)沿用觸壓發(fā)令裝置，為了避免干涉，需要在刀架抬起后驅(qū)動(dòng)檢測裝置移動(dòng)，觸發(fā)退回到安全位置后方才允許刀庫動(dòng)作，嚴(yán)重影響加工節(jié)拍。

以某發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋生產(chǎn)線為例，下面說明加工節(jié)拍在汽車零部件加工行業(yè)的重要意義。

圖 2

以前機(jī)床內(nèi)刀具破損檢測每次檢測用時(shí)3s，缸蓋線用刀86把，有51把刀要進(jìn)行破損檢測。如果用機(jī)床內(nèi)破損檢測要多用時(shí)153s，而缸蓋線單臺節(jié)拍為144s，僅僅在破損檢測上的耗時(shí)就要增加一臺設(shè)備，又因?yàn)樯a(chǎn)線為A、B線，因此實(shí)際上要增加2臺設(shè)備才能滿足要求。從整個(gè)項(xiàng)目來看，采用“刀庫內(nèi)破損檢測”方案將減少10%的設(shè)備投資。

獲得的其他生產(chǎn)優(yōu)勢：降低廢品率；降低高成本刀具損壞率；保護(hù)設(shè)備；降低停機(jī)時(shí)間；降低維修成本；最大化刀具利用率；夜間實(shí)現(xiàn)無人值守。

2. 檢測功能的開發(fā)

適用機(jī)型為帶有ATC手臂的V型加工中心全機(jī)型。方案可行性分析如下，機(jī)床控制系統(tǒng)準(zhǔn)備刀具位置的刀具長度可讀取，無桿電缸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)點(diǎn)位控制可編輯，可實(shí)現(xiàn)間隔1mm的255個(gè)位置控制，刀庫側(cè)裝置安裝空間足夠，且檢測傳感器可沿刀具軸向移動(dòng)。

如圖3所示，系統(tǒng)硬件主要由系統(tǒng)接口、馬達(dá)控制器、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、無桿電缸以及激光傳感器五部分組成。

（1）控制原理介紹：I/O功能擴(kuò)展，利用數(shù)控系統(tǒng)的通訊接口，新增遠(yuǎn)程I/O擴(kuò)展板卡，具體選型如表1所示，擴(kuò)展遠(yuǎn)程I/O板卡各組成及功能如圖4所示。

各地址分配及功能如表2所示。

電氣連接圖紙，擴(kuò)展遠(yuǎn)程I/ O板卡與外部控制器連接如圖5所示。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀取，通過系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)接口地址“R402”可讀取當(dāng)前加工刀具的長度數(shù)據(jù)。

激光傳感器的應(yīng)用，數(shù)字CMOS激光傳感器應(yīng)用了三角原理的測量方法，可設(shè)定有效檢測范圍，解決了多重反射檢測問題。加工程序編輯程序如下。

M171T35T09M6 欲對#35刀具進(jìn)行加工后的破損檢測

G90G54.1P1G0X0.Y0.M3S2288 (1890)B270000.A0.

G99G81Z-22.3R1.F405(358)

M155 需在#35刀具進(jìn)行加工時(shí)添加M指令

G80G0Z2.

#579=#579+1

M171T09T07M6

圖 3

表 1

零件名稱PARTS-NAME供應(yīng)商規(guī)格/備注名稱輔助零件分類遠(yuǎn)程IO單元 REMOTE I/O UNIT UNION DENS YMYP4-1 WG/外購件

圖 4

表 2

地址 功能Y40～Y47 點(diǎn)位控制基數(shù)，實(shí)現(xiàn)間隔1mm的255個(gè)位置的控制Y48 伺服主回路使能信號Y49 伺服控制回路使能信號（滯后于Y48）Y4A 啟動(dòng)信號X40 伺服準(zhǔn)備就緒信號X41 移動(dòng)結(jié)束確認(rèn)信號X42 原位檢測信號X43 刀具破損檢測輸入脈沖

（2）控制動(dòng)作說明，利用當(dāng)前主軸刀具長度的接口地址，經(jīng)過梯形圖數(shù)據(jù)處理，換算成當(dāng)前需要的位置控制數(shù)據(jù)；在加工程序中添加需要執(zhí)行刀具破損檢測的M指令，提前將位置控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)今R達(dá)控制器數(shù)據(jù)接口作為目標(biāo)位置存儲；當(dāng)前加工單元結(jié)束發(fā)出ATC指令后，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)根據(jù)接收到的啟動(dòng)指令以及定位數(shù)據(jù)提前快速定位到目標(biāo)位置。ATC動(dòng)作結(jié)束后，刀架抬起進(jìn)行下一把刀具的選擇。刀架抬起過程中根據(jù)刀具長度定位的激光傳感器適時(shí)檢測有無刀尖觸發(fā)的脈沖信號發(fā)出，如果在此過程中檢測到脈沖信號，說明刀具無破損，可正常執(zhí)行后續(xù)加工；如果在此過程中檢測不到脈沖信號，說明刀具已經(jīng)破損，機(jī)床進(jìn)入進(jìn)給保持狀態(tài)并出現(xiàn)“刀具檢測異?！眻?bào)警。

（3）其他注意事項(xiàng)。由于刀庫內(nèi)油污、切屑等影響，有可能造成漫反射信號的誤發(fā)令，需要定期清理裝置及周邊環(huán)境。刀庫內(nèi)最大直徑刀具有可能造成相鄰刀具檢測的物理干涉，需根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行刀庫內(nèi)刀具安裝位置的合理分配。為了避免由于檢測裝置移動(dòng)造成刀庫旋轉(zhuǎn)的干涉，需要增加安全位置確認(rèn)傳感器，通過梯形圖控制有效保證設(shè)備的安全運(yùn)行。

3. 功能完善

在實(shí)際應(yīng)用過程中，受到刀尖形狀、粗糙度的影響，需要結(jié)合實(shí)際破損情況對檢測部位進(jìn)行調(diào)整（見圖6）。因此，如果檢測條件允許，亦可將激光傳感器替換成接觸式的撥桿傳感器，以應(yīng)對各種復(fù)雜的檢測環(huán)境。

圖 5

圖 6

4. 結(jié)語

通過實(shí)際的應(yīng)用證明，此功能的開發(fā)進(jìn)一步完善了數(shù)控機(jī)床的功能，提高了機(jī)床的加工效率，更大地發(fā)揮了數(shù)控機(jī)床優(yōu)勢，對于增加企業(yè)的市場競爭力起到了很大作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 焦紅衛(wèi). 數(shù)控車床刀具損壞的原因及對策研究[J]. 機(jī)械工程師，2009（11）：115-116.

[2] 黃民，劉秀麗，謝厚正. 高檔數(shù)控機(jī)床刀具磨損故障監(jiān)測方法及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[J]. 北京信息科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2012, 27（1）：19-24.

（收稿日期：20170529）