机床接触式刀具检测系统的开发与应用

马国艳

沈阳机床（集团）有限责任公司 辽宁沈阳 110142

1 序言

刀具在切削工件的过程中，旋转的刀具与工件切削面的接触致使接触面的温度较高，导致刀具的磨损量较大，一旦刀具的磨损量超过允许值，就会严重影响切削工件的精度。随着机床行业的不断发展，用户对加工零件的精度要求越来越高，刀具磨损检测功能的应用也越来越普遍，越来越多的用户选择在机床上安装刀具磨损检测系统。

刀具磨损检测有接触式和非接触式两种，由于接触式的刀具磨损检测系统价格较非接触式的便宜很多，而且接触式刀具磨损检测系统往往安装在非加工区，检测精度受加工区环境影响较小，精度容易保证；另外，接触式刀具磨损检测可以根据刀库中每把刀具的特点，设置不同的磨损量，因此接触式刀具检测系统被广泛采用。

2 接触式刀具磨损检测系统

接触式刀具磨损检测系统（见图1）通过摆动读数探头来读取需要检测的刀具的探头摆动角度，通过比较刀具在加工前后摆动角度的差异，来判断刀具磨损量是否超差。

图1 接触式刀具磨损检测系统示意

接触式刀具检测系统的工作步骤：首先对拟使用的刀具进行初始检测，记录初始状态，并将数据存储在刀具磨损检测系统中；其次对经过切削加工后的刀具进行检测，确定磨损量；最后比较刀具的初始值与切削后的监测值，如果差值超过允许的磨损量，则发送刀具超差报警，警告机床操作人员刀具不能再使用。

3 刀具磨损检测控制

3.1 刀具号的传输

刀库中拟使用的所有刀具都应该在切削前进行初始值的标定，初始值的标定动作是由数控系统的PLC程序控制的。以链式带双交换臂、刀具容量40把的刀库中的刀具标定为例，为节省换刀时间，将刀具的初始值标定过程与换刀过程结合在一起。数控系统的PLC端需要告知刀具检测系统被检测的刀具号，而接触式刀具磨损检测系统的刀具计数形式采用的是二进制，编辑PLC程序如下。

A M 393.2; 刀检初始检测输出

= Q 2.4

A M 391.2; 刀具磨损检测输出

= Q 2.5

A M 391.3; 刀具检测停止

= Q 2.6

A M 392.0; 刀具计数，二进制1

= Q 2.7

A M 392.1; 刀具计数，二进制2

= Q 3.0

A M 392.2; 刀具计数，二进制4

= Q 3.1

A M 392.3; 刀具计数，二进制8

= Q 3.2

A M 392.4; 刀具计数，二进制16

= Q 3.3

A M 392.5; 刀具计数，二进制32

= Q 3.4

A M 392.6; 刀具计数，二进制64

= Q 3.5

A M 392.7; 刀具计数，二进制128

= Q 3.6

3.2 刀具初始检测

初始检测分两种情况，即刀库中未被检测的刀具和主轴上未被检测的刀具。刀库中需要初始检测的刀具需要在刀套翻转后、换上主轴前进行检测；主轴上需要进行初始检测的刀具，需要在主轴上的刀具到达翻转后的刀套后再进行检测。编辑PLC控制程序如下。（注意：只有在初始检测完成后，才能允许进行换刀动作。）

A(

L DB72.DBD 8

L 40

>D

)

JC M007

A(

L DB72.DBD 8 //$P_VDITCP[0]不为0，且＜40

L 0

>D

)

A(

L DB111.DBB 1 //换刀步骤

L 3

==I

)

A DB100.DBX 41.3 //倒刀到位

A DB100.DBX 41.4 //机械手原点

A DB100.DBX 41.6 //机械手刹车

A DB110.DBX 20.0 //启动换刀程序

FP DB110.DBX 13.0

S DB101.DBX 31.2 //刀具磨损初始检测输出

S DB101.DBX 31.3 //刀具初始检测启动

A DB101.DBX 31.2 //刀具磨损初始检测输出

A DB100.DBX1.0 //检测成功

O DB100.DBX1.1 //检测失败

L DB72.DBD8

T MW392 //传递初始检测完成的刀具号

3.3 刀具磨损量检测

切削完成后，在更换下一把刀具前，需要对刀具进行磨损量检测。在主轴上的刀具到达刀套并且换刀门关闭后进行磨损检测，把检测后的刀套号赋给MW392，编辑PLC程序如下。

A(

L DB72.DBD 12

L 40

>D

)

JC M008

A(

L DB72.DBD 12 //$P_VDITCP[1]不为0，且＜40

L 0

<>D

)

A(

L DB111.DBB 1 //换刀步骤

L 9

==I

)

A DB100.DBX 41.3 //倒刀到位

A DB100.DBX 41.4 //机械手原点

A DB100.DBX 41.6 //机械手刹车

A DB110.DBX 20.0 //启动换刀程序

FP DB110.DBX 13.1

S DB101.DBX 31.3 //刀具磨损量检测启动

A DB101.DBX 31.3 //刀具磨损量检测启动

A DB100.DBX1.0 //检测成功

O DB100.DBX1.1 //检测失败

L DB72.DBD8

T MW392 //传递已检测的刀具号

O DB100.DBX1.1 //检测失败

L DB72.DBD8

T MW36 //将检测失败的刀具号传递到另一个存储器中，方便检查

3.4 报警

如果刀具磨损检测系统检测出刀具磨损量超差，会发出报警信号给机床控制系统。系统接收到报警信号，要发出“拟使用的刀具磨损量超过允许值，禁止使用该刀具加工”的报警，该报警将禁止系统NC启动。程序编辑如下。

A DB100.DBX2.0

= DB2.DBX220.5 //刀具磨损量超差报警

4 NC控制

4.1 判断程序段

所有刀具在使用前都应进行初始检测，为避免数控系统重复工作，可采用NC程序来判断刀具是否已经初始检测完毕，并把刀具号发送给PLC。如果已检测完毕，则PLC跳过初始检测步骤；如果拟使用的刀具没有进行初始检测，则进行初始检测。编辑的NC程序如下。

GETSELT(_NWT); 拟使用的刀具号赋给_NWT

_SPT=$TC_MPP6[9998,1]; 主轴上的刀具号赋给_SPT

STOPRE

$P_VDITCP[0]=0; DB72.DBD8=0

$P_VDITCP[1]=0; DB72.DBD12=0

IF (_NWT<>0)

i f (($T C_T P C1[_N W T]==0) a n d ($t c_d p1[_NWT,1]>=200) and ($tc_dp1[_NWT,1]<=250))

;$TC_TPC1[_NWT] eq 0表示没有teach; TOOL OEM PARAMETER1=0

;tool type: drill

$P_VDITCP[0]=_NWT; 把没有teach的钻刀发给PLC的DB72.DBD8

endif

ENDIF

IF (_SPT<>0)

if (($TC_TPC1[_SPT]==1) and ($tc_dp1[_SPT,1]>=200)and ($tc_dp1[_SPT,1]<=250))

;$TC_TPC1[_SPT] eq 1表示已经teach完毕; TOOL OEM PARAMETER1=0

;tool type: drill

$P_VDITCP[1]=_SPT; 把已经teach的钻刀发给PLC变量DB72.DBD12

endif

ENDIF

4.2 磨损检测标定

（1）NC控制的标定 通过NC程序区分刀具是否经过检测，编辑的PLC程序如下。

if ($P_VDITCP[1]<>0)

$TC_TPC1[_SPT]=0; 清除teached标识

endif

if ($P_VDITCP[0]<>0)

$TC_TPC1[_NWT]=1; 标识teached

endif

（2）刀具管理界面标定 打开刀具详细信息，可以手动更改“Tool OEM parameter 1”和“Tool OEM parameter 2”的值，刀具磨损检测标定如图2所示。

图2 刀具磨损检测标定

5 结束语

本文介绍了数控系统上刀具磨损检测的开发与应用，把刀具磨损检测动作与换刀动作结合在一起，刀具的初始检测通过NC控制刀具管理界面进行设定。该功能的开发方便了机床用户应用刀具磨损检测功能，提高了磨损检测的效率和刀具应用的灵活性。