加工妙招：不佔用原加工程序的加工節拍，對刀具進行破損檢

　　摘要：本文針對數控機床加工效率、成本控制再提高問題，提出從機床功能控制方面的進一步完善方案，即充分利用數控設備的換刀過程，達到不佔用原加工程序的加工節拍，對所需刀具進行破損檢測，及時發現問題，達到效率提高、成本降低的目的。

　　1. 開發背景

　　如圖1所示，早期的刀具破損檢測裝置安裝在工作區內，加工單元結束后需要進行刀尖路徑控制TPC（TOOL PATHCONTROL）完成破損檢測判斷，雖然價格低廉、操作簡單，但面對緊張的節拍要求已經毫無競爭力。此外，龐大的夾具體以及刀具交換的干涉限制，使得標準的破損檢測裝置在工作區已經沒有立足之地。如圖2所示的原卧式加工中心機型TBD方案，在刀庫內沿用觸壓發令裝置，為了避免干涉，需要在刀架抬起后驅動檢測裝置移動，觸發退回到安全位置後方才允許刀庫動作，嚴重影響加工節拍。

圖 1

圖 2

　　以某發動機缸蓋生產線為例，下面說明加工節拍在汽車零部件加工行業的重要意義。

　　以前機床內刀具破損檢測每次檢測用時3s， 缸蓋線用刀86把，有51把刀要進行破損檢測。如果用機床內破損檢測要多用時153s，而缸蓋線單台節拍為144s，僅僅在破損檢測上的耗時就要增加一台設備，又因為生產線為A、B線，因此實際上要增加2台設備才能滿足要求。從整個項目來看， 採用「 刀庫內破損檢測」方案將減少10%的設備投資。

　　獲得的其他生產優勢： 降低廢品率；降低高成本刀具損壞率；保護設備；降低停機時間；降低維修成本；最大化刀具利用率；夜間實現無人值守。

　　2. 檢測功能的開發

適用機型為帶有ATC手臂的V型加工中心全機型。方案可行性分析如下，機床控制系統準備刀具位置的刀具長度可讀取，無桿電缸驅動系統點位控制可編輯，可實現間隔1mm的255個位置控制，刀庫側裝置安裝空間足夠，且檢測感測器可沿刀具軸向移動。

　　如圖3所示，系統硬體主要由系統介面、馬達控制器、步進電動機、無桿電缸以及激光感測器五部分組成。

圖 3

　　（1）控制原理介紹：I/O功能擴展，利用數控系統的通訊介面，新增遠程I/O擴展板卡，具體選型如表1所示，擴展遠程I/O板卡各組成及功能如圖4所示。

圖 4

　　各地址分配及功能如表2所示。

　　電氣連接圖紙，擴展遠程I/O板卡與外部控制器連接如圖5所示。

圖 5

　　系統數據讀取，通過系統提供的數據介面地址「R402」可讀取當前加工刀具的長度數據。

　　激光感測器的應用， 數字CMOS激光感測器應用了三角原理的測量方法，可設定有效檢測範圍， 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刀具進行加工時添加M指令)

G80G0Z2.

　　#579=#579+1

M171T09T07M6

　　（2）控制動作說明，利用當前主軸刀具長度的介面地址，經過梯形圖數據處理，換算成當前需要的位置控制數據；在加工程序中添加需要執行刀具破損檢測的M指令，提前將位置控制數據傳輸到馬達控制器數據介面作為目標位置存儲；當前加工單元結束髮出ATC指令后，步進電動機根據接收到的啟動指令以及定位數據提前快速定位到目標位置。

　　ATC動作結束后，刀架抬起進行下一把刀具的選擇。刀架抬起過程中根據刀具長度定位的激光感測器適時檢測有無刀尖觸發的脈衝信號發出，如果在此過程中檢測到脈衝信號，說明刀具無破損，可正常執行後續加工；如果在此過程中檢測不到脈衝信號，說明刀具已經破損，機床進入進給保持狀態並出現「刀具檢測異常」報警。

　　（3）其他注意事項。由於刀庫內油污、切屑等影響，有可能造成漫反射信號的誤發令，需要定期清理裝置及周邊環境。刀庫內最大直徑刀具有可能造成相鄰刀具檢測的物理干涉，需根據實際需要進行刀庫內刀具安裝位置的合理分配。為了避免由於檢測裝置移動造成刀庫旋轉的干涉，需要增加安全位置確認感測器，通過梯形圖控制有效保證設備的安全運行。

　　3. 功能完善

　　在實際應用過程中，受到刀尖形狀、粗糙度的影響，需要結合實際破損情況對檢測部位進行調整（見圖6）。因此，如果檢測條件允許，亦可將激光感測器替換成接觸式的撥桿感測器，以應對各種複雜的檢測環境。

圖 6

　　4. 結語

　　通過實際的應用證明， 此功能的開發進一步完善了數控機床的功能，提高了機床的加工效率， 更大地發揮了數控機床優勢，對於增加企業的市場競爭力起到了很大作用。

☞本文發表於《金屬加工（冷加工）》2017年16期57-58頁，作者：寧夏小巨人機床有限公司 常 強 張 鑫。

☞本文編輯：sophia