精密切削刀具磨損監控系統設計

馬廉潔

（東北大學秦皇島分校自動化系，河北秦皇島 066004）

現代硬脆復合材料，具有質輕、耐磨損、耐腐蝕等優異性能，是艦艇、航天器、軍工、核能等領域中長壽命、高可靠性結構件不可或缺的材料，但材料本身難加工，刀具磨損快是其顯著特征［1－2］。而高技術領域對零件的加工質量要求越來越高，因此，較小的刀具磨損量即可引起工件精度超差，所以，控制刀具磨損是保證加工質量的關鍵。但在常規切削加工中刀具磨損不可避免。雖然較小的刀具磨損量影響了加工精度，但切削刀具并未達到磨鈍標準［3－4］，為滿足加工質量而頻繁換刀，不僅增加了輔助時間，同時造成了刀具浪費，使得加工成本增加、效率降低。而磨削又難以實現工件復雜型面的加工。因此，設計開發切削加工刀具磨損監控補償系統，在難加工材料的高效切削加工中具有重要的實際應用價值。

1 系統工作原理

數控機床在現代機械加工領域特別是精加工中應用廣泛［5］，精密切削中，為防止因刀具微量磨損而引起工件加工精度降低而被迫換刀，延長刀具使用壽命，使之達到磨鈍標準。本系統以數控機床為平臺，設計了刀具磨損測量控制與補償系統（圖1）。在加工過程中，當一個工件加工完成后，采用位移傳感器測量工件關鍵尺寸，經控制器（FPGA）進行數據處理，計算加工誤差，輸出給機床CNC系統，數控加工主程序（宏程序）調用此數據，并以此修正加工刀具進給量，以此補償因刀具磨損而引起的加工誤差。

2 系統硬件設計

2．1 硬件系統總體結構

由于模擬器件存在溫漂和時漂等固有特性，模擬電路存在受外界干擾大、需手動調節等問題，實際應用時受到限制［6］。針對以上問題，本文采用一種基于可編程邏輯器件FPGA實現的檢測控制系統，此系統為一自適應系統，無需人工調節，受外界干擾小，成本低廉，適合實際應用，如圖2所示。以FPGA為核心控制器，外加AD轉換器、鍵盤輸入單元、數碼管顯示單元、RS232串口輸出單元構成。

2．2 硬件設計

2．2．1 FPGA

FPGA是目前廣泛使用的可編程邏輯器件，和傳統單片機相比有很多優勢，運行速度快，管腳多，容易實現大規模系統，可以方便連接外設。FPGA內部程序并行運行，有處理更復雜功能的能力，可以同時處理不同任務，工作更有效率。FPGA有大量軟核，甚至包含單片機和DSP軟核，可以方便進行二次開發。本設計采用EPF10K10系列芯片中的EPF10K10TC144－4，該芯片為TQFP144封裝形式，具有3．1萬門和576個邏輯單元，6 144位RAM，資源豐富，基于SRAM配置型FPGA器件可以無限次數下載。配置芯片采用EPC2LC20，可以保證掉電后再上電FPGA的正常工作。采用40 MHz的晶振提供工作時鐘。

2．2．2 傳感器

工件處于精加工工序，且加工精度要求較高。機床轉速較高，不宜采用接觸式在線測量;機床系統會引起一定的振動，采用激光、超聲等非接觸在線測量會引入測量誤差［7－9］。所以本設計采用了穩定性好、精度高的離線接觸式測量，直接測量工件關鍵尺寸誤差。選用自動復位式位移傳感器，其有效行程25 mm，輸出電壓為0～5 V，經示波器、高精度數字式萬用表、穩壓電源，配合高檔數控機床檢測，其輸出特性體現了較為規范的二段式線性關系（圖3），在5.5～22 mm測量范圍內，相對誤差為0.005 3%。

其輸出特性可表示為:

2．2．3 ADC

本設計采用8位COMS依次逼近型的A/D轉換器ADC0804，其具有三態鎖定輸出，存取時間為135 μs，分辨率為8位，轉換時間為100 μs，總誤差為正負1 LSB。

2．2．4 輸入輸出元件

鍵盤:用于標準工件尺寸的輸入，系統功能的控制和顯示數據的選擇。傳感器的有效行程為25 mm，而工件尺寸會經常超過此范圍，為擴大傳感器的測量范圍，采用相對測量更為適當，這就需要首先確定測量基準尺寸，并通過鍵盤輸入FPGA控制器，從而獲取傳感器測量零點。

RS232串口:控制系統與數控機床連接的接口，控制系統計算出的進給量經串口發送，由數控機床接收［10］。

數碼管:用于實時顯示輸入、測量和計算的數據。

LED:分別指示報警信號、復位信號及不同的輸出數據。

3 系統軟件設計

3．1 設計思想

采用位移傳感器，實時測量工件尺寸，將測量值與標準值進行對比。當刀具出現磨損時，測量值與標準值間會產生一誤差值。根據加工尺寸的誤差值計算出應調節的進給量，并將此值傳送到CNC數控加工主程序，控制刀具進給，從而補償因刀具磨損所帶來的加工誤差，保證加工精度。具體調節過程如下:

（1）對尺。當被加工工件尺寸超過傳感器量程時，先用傳感器測量基準尺寸（或基準件），輸入基準尺寸值L0，傳感器獲取測量零點。

（2）換被測工件。

（3）測量:

① 傳感器輸出量:V1，V2，…，Vn

②測量值:

③ 實時誤差:ΔLn=k（Vn－ Vn－1）

④ 積累誤差值:∑ΔLn=k（Vn－V0）

（4）存儲輸出，傳送到數控主程序。繼續更換被測工件，進行測量。

（5）報警提示。當系統檢測積累誤差超程（即刀具累計磨損量超過磨鈍標準）時，報警提示，更換刀具。

系統總的控制流程圖如圖4所示。本控制系統的核心分為兩個部分:計算單元和接口單元，都通過對FPGA的硬件編程來實現。

計算單元首先根據傳感器的傳感特性曲線，將傳感器輸出的電壓信號轉換為相應的長度信號;然后，再將轉換得到的長度信號與上次測量的信號相減，得到了誤差信號，即實時誤差信號;最后，將實時誤差信號進行累加，就得到了最終的誤差信號，即積累誤差信號。

接口單元的作用是將計算單元最終得到的積累誤差信號作為數控機床刀具進給量的調整信號，通過串口發送到數控機床。

3．2 軟件設計

系統軟件部分主要是針對FPGA控制程序的設計，主要分為計算部分、ADC控制、串口控制、鍵盤輸入接收、顯示驅動等幾部分。基于FPGA控制系統核心部分的設計過程如圖5所示。

FPGA控制程序的核心部分是ADC控制單元和計算單元，這兩個部分決定了測量和控制的正確性與精度。

3．2．1 ADC 控制單元

如圖6所示，ADC控制單元主要有兩個作用，一是產生ADC0804所需的時序控制信號;二是根據地址信號從ROM查出對應的轉換結果并輸出到顯示單元和計算單元。

ADC控制單元根據ADC0804的控制信號，產生如下幾個控制信號:

（1）CS芯片選擇信號。

（2）RD外部讀取轉換結果的控制輸出信號。RD為高時，DB0～DB7處理高阻抗:RD為低時，數字數據才會輸出。

（3）WR:用來啟動轉換的控制輸入，相當于ADC的轉換開始（CS=0時），當WR由高變為低時，轉換器被清除:當WR回到高時，轉換正式開始。

3．2．2 計算單元

ADC單元輸出的結果是傳感器輸出的電壓量，在計算單元首先要根據傳感器的傳感特性曲線，計算出此電壓量對應的長度測量值。同時，考慮到傳感器量程有限，在實際操作時，有一標準尺寸（或標準工件），以它的尺寸作為基準（即測量零點）進行相對測量，所以計算時，先要由鍵盤輸入此基準值，然后再由測量值公式進行計算。

每更換一個工件，就計算出一個測量值，相鄰兩次測量值相減得到實時誤差，作為刀具進給量的調整值并經串口進行發送至機床數控系統，修改機床控制參數，從而補償加工誤差。各實時誤差值相加得累積誤差，與刀具磨鈍標準比較，當積累誤差值大于刀具磨鈍標準時，系統將發出報警指令，提示換刀。控制過程如圖7所示。

3．3 仿真結果

根據軟件設計程序，假定一標準輸入工件尺寸和幾個傳感器輸入數據，由控制程序計算結果如圖8所示。仿真結果基本和理論計算一致，誤差主要是由于AD轉換帶來的量化誤差所致［11］。

3．4 切削加工實驗

刀具磨損監控補償系統經調試后，在CKA6150型數控車床（大連機床廠）上對一種新型復合陶瓷材料進行了精密加工工序切削實驗，并與在未使用本系統的切削過程作對比。結果表明，引入了傳感器實時自動測量，精度提高，避免了人工檢測誤差;自動檢測控制系統的使用，避免了機床頻繁停機檢測和手動調整數控系統加工參數，效率明顯提高;可使刀具達到磨鈍標準，延長刀具有效使用時間，減少了換刀次數和重新對刀引入的二次誤差。在硬脆材料切削加工中，應用了本系統，加工效率、加工精度、產品合格率都明顯提高（表1）。

表1 切削實驗結果對比

4 結語

本系統以數控機床為應用平臺，將刀具磨損量的測量轉化為對加工工件尺寸誤差的測量，同時采用基于FPGA的控制系統，在保證系統精度和準確度的前提下，提高了系統的控制效率和穩定性，擴展性高、通用性好。控制系統采用EPF10K10TC144－4作為主控芯片，KTR型位移傳感器具有良好的線性特性，在5.5～22 mm測量范圍內，相對誤差為0.005 3%，測量精度較高。編制了控制軟件，將測量數據結果輸入CNC，修正加工程序參數，以此控制刀具進給量，從而保證加工精度。進行了系統仿真。系統在CKA6150型數控車床上進行了精密切削實驗，并進行了對比研究。結果表明，本系統避免了人工檢測誤差、機床頻繁停機，減少了換刀次數和重新對刀引入的二次誤差，可使刀具達到磨鈍標準，延長刀具有效使用時間。加工效率、加工精度、產品合格率都有明顯提高。

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