刀具磨損在線檢測及刀具壽命實時跟蹤技術在FMS中應用

孫 波，袁 宇

SUN Bo, YUAN Yu

（沈機集團昆明機床股份有限公司，昆明 650203）

0 引言

在柔性制造系統（Flexible Manufacturing System，FMS）的成功應用中，刀具的有效管理對于提高FMS的生產效益、降低投資及運行費用有著十分重要的影響。刀具是零件或產品最終成型和產品精度有效保證的一個重要因素，在數控刀具的選擇上本身就有這樣一個原則：壽命高，切削性能穩定、可靠。然而，作為切削工具，刀具的破損和磨損一直是個問題，而隨之帶來的廢品率、返修率、生產延誤等，大大的降低了整個生產環節的效率，增加了運行成本[1,2]。

沈機集團昆明機床股份有限公司（以下簡稱昆機）研發的FMS 1600柔性制造系統，是由七臺雙工位臥式加工中心TH6513B/2、30塊高精度大規格工作臺（1600mm×1800mm）、有效行程大于50米的物流運輸線和24個緩沖存儲站等組成，如圖1所示。每臺加工中心獨立配備了80把刀的刀庫，對于這樣一個龐大的數控機床加工群和刀具資源庫，進行刀具磨損檢測和在線刀具壽命實時跟蹤統計技術的研究勢在必行。力求結合企業現場實踐經驗的優勢，以為設備提供合格刀具的目的，通過刀具磨損檢測和壽命實時跟蹤，保證刀具資源滿足加工條件需求，從而提高柔性制造系統的生產效益、降低投資及運行費用。

圖1 FMS 1600柔性制造系統

1 刀具磨損在線檢測技術研究

1.1 刀具磨損檢測的優選方案

目前，國內外研究刀具磨損的在線檢測方法分為直接檢測法和間接檢測法[3,4]。直接檢測法包括光導纖維法、電視攝像法、接觸電阻法和光學法等。間接檢測法包括切削力法、扭矩法、切削振動法、工件尺寸法和工件表面粗糙度法等。但隨著被加工零件的形狀和材質的不同，各種方法都有其應用的局限性。

考慮到FMS 1600柔性制造系統臥式加工中心的機械結構，結合客戶需求，確定選擇NC4作為FMS的刀具檢測系統。NC4是雷尼紹一款非接觸式對刀和刀具磨損檢測系統與軟件，其設計緊湊，適合較大的非接觸式系統的機床，安裝方便且不占用有效行程，其檢測系統激光束可達5米，FMS 1600柔性制造系統加工群設備每臺配備一套，實現了在線檢測功能，提高了檢測效率。

1.2 刀具磨損檢測的實施過程

根據上述優選的刀具磨損檢測方法，制定了相應的刀具磨損檢測的具體實施過程如下：

1)檢測系統的電氣連接：解決NC4的應用；

2)坐標軸定義：解決NC4安裝后激光采樣機床軸與循環測量編程的坐標統一問題；

3)變量定義：使NC4的變量參數符合客戶實際使用狀況；

4)循環子程序編程：解決自動測量問題；

5)刀具自動測量子程序和操作步驟：保證正確使用NC4；

6)刀具磨損檢測過程控制：保證刀具磨損得到有效控制。

通過以上六步實現FMS 1600柔性制造系統的刀具磨損自動檢測和監控功能。

2 在線刀具壽命實時跟蹤技術研究

刀具使用壽命可以由一把新刀用到報廢之前的總切削時間來表示，其中包含多次重磨（重磨次數以n表示）時間。同時，刀具使用壽命等于刀具耐用度與重磨次數（n+1）的乘積，刀具耐用度是衡量刀具切削性能好壞的重要標志。刀具磨損到一定限度就不能再繼續使用，這個磨損限度稱為磨鈍標準。國際標準ISO統一規定以后帶面上測定的磨損帶寬度VB作為刀具磨損的標準。在生產實際中，為更方便、快速、準確地判斷刀具的磨損情況，一般是以刀具耐用度來間接地反映刀具的磨鈍標準[2,5,6]。

昆機研發的FMS系統，其加工系統的工藝路線是串并聯運行方式，隨著工藝路線的變化，所使用的刀具也不同，為了節約刀具投資成本，FMS的刀具是流動的。由于加工工藝不同，在每次切削加工過程中各刀具的狀態也不斷地發生變化，這將造成每一把刀具的額定壽命亦不同。監控和統計加工中心上每把刀的使用壽命，提示刀具管理系統判斷現有刀具是否有足夠的壽命來完成該零件的加工。如果刀具壽命不夠，加工前提醒主控站更換刀具，以保證加工工件的質量和系統正常運行。

分析在線刀具壽命實時跟蹤技術，其技術難點如下：

1)影響刀具壽命主要因素分析：根據實驗研究結果得出刀具壽命跟蹤的方法及對象。

2)刀具壽命監控技術：研究監控對象和監控方法，為實現刀具壽命管理建立基礎。

3)刀具壽命跟蹤管理技術：建立刀具壽命檔案，跟蹤和統計刀具剩余壽命，保證刀具充分滿足加工條件。

2.1 影響刀具壽命的主要因素分析

影響刀具壽命因素眾多，根據切削實驗統計分析，其主要因素有切削條件（切削速度和切削厚度），刀具材料和工件的材質[7,8]。由切削原理可知，刀具磨損是一個漸變的過程，它遵循一定的時間關系，磨損過程可分為3個階段，即初期磨損、正常磨損和劇烈磨損等，如圖2所示。

圖2 刀具磨損過程

在正常磨損階段，刀具后刀面磨損帶平均磨損量VB與切削時間t成正比，如圖3所示。

圖3 正常磨損階段VB與t的關系

通常采用固定其它切削條件，而改變切削速度Vc進行刀具磨損試驗，由此可得到很多條刀具磨損曲線，從中找出切削速度Vc與刀具使用壽命T的關系[7]，即泰勒（F.W.Taylor）公式（1）。

其中：

Vc為刀具切削速度；

A為當T=1s（或1min）時直線在縱坐標上的截距；

m為切削速度對刀具壽命的影響程度；

T為刀具使用壽命。

為了提高實驗效率，本文采用快速實驗方法進行磨損試驗。快速實驗的原理為，利用刀具磨損曲線正常磨損段中“刀具后刀面磨損平均磨損量VB與切削時間t成正比”這一關系，即VB=VB0+kt，并且不同切削速度Vc的磨損曲線在正常磨損段的延長線都交于縱坐標上的同一點VB0，本文定義刃磨后磨損量為VB0(A)。

在正常磨損階段，刀具磨損帶平均磨損量與切削時間成正比，即VB=VB1(B)+kt。在A-D曲線上，改變被加工材料后依然可以直觀的得到VBT磨損量，在曲線C-D段依然需要考慮刀具磨損問題。VB0可以通過初始標定軟件或儀器，如刀具的標定循環或對刀儀等設備確定。本文選定使用NC4的標定循環來初始化VB0。

2.2 刀具壽命監控技術分析

直接檢測法是刀具磨損通常采用的檢測方法，往往直接檢測刀具刃面，可以使用人工辨別，也可以自動辨別。鑒于FMS 1600柔性制造系統已經為加工單元配備了雷尼紹NC4非接觸式刀具測量系統，因此使用NC4的標定循環來初始化VB0，使用NC4的標定循環可以在一定轉速下測得刀刃的VB0以及刀長、刀徑等。刀具每次加工循環使用后，通過NC4循環測量一次，以此得出本次刀具刀徑及刀刃的量化指標，即VBT。在曲線B點以后確定斜率k，確定方法為：細分時間上磨損量的變化，對默認磨損曲線做k值的修正，這樣就有了一個更為貼近事實的變化曲線。當更換材料加工一段時間后，對k值進行修正，當最后一個時間點的VBt≥VBmax時，定義為N=N+1(N=0)。當得到VB0、VBT、t、k和N后，測量循環程序便可以使用。

每把刀的使用情況可通過數控系統刀具壽命管理功能進行記錄和計算，在加工的時候用戶可以依據磨損量確定最終壽命和使用一個更為確切的刀具補償值，每次加工循環開始和完成后，使用NC4做一次刀具標定。NC4的測量循環提供了許多刀具測量循環子程序，減少了了人工對刀儀的測量誤差，以及刀具磨損檢測閥值設定，檢驗的刀具VBT值存儲在用戶R變量中。

2.3 刀具壽命跟蹤管理技術分析

FMS 1600柔性制造系統使用的是SIEMENS 840D數控系統，由于技術需求該系統選配了刀具壽命管理功能，其對刀具的監控功能主要是通過工件計數、刀具壽命和刀具磨損的監控來實現[9,10]。

1）刀具壽命監控技術

以840D刀具監控原理和實現監控的步驟闡述本文刀具壽命監控技術，840D系統為工件計數監控、刀刃監控、磨損監控提供了具體地實施監控的變量。

工件計數：系統工件計數自動記錄加工期間所有使用刀具的刀刃參數，計數器變化一次，所有刀刃的監控數據就自動更新一次，實現工件技術功能。刀具壽命：只監控當前使用的刀刃，一旦路徑軸移動，刀具壽命監控數據就被更新。磨損判斷：在使用計時器和工件計數的情況下監控刀具磨損，具體操作時需首先設置機床數據，同時對磨損監控參數進行設置。

系統還提供了隨時改變刀具監控類型的系統變量MD $TC_TP9，刀具監控功能的觸發靠設置系統變量實現如下所述。

$TC_TP9(=監控類型):

S $TC_TP9=0- ->不監控

S $TC_TP9=1- ->按時間-監控刀具

S $TC_TP9=2- ->按工件計數-監控刀具

S $TC_TP9=4- ->按刀刃-監控刀具

S $TC_TP9=8- ->附加偏置

上述各觸發變量可單獨觸發，而且可同時觸發幾個監控變量。當到達預警限制時，刀具會被設為“警告限制到達”（通過系統變量SLTD_SUSPENDED($TC_TP8[i]=4)），在刀具監控表的狀態附近會出現“V”。

刀具監控報警：當刀具使用到達預警限制或監控界限時，系統會產生6010,6011,6012,6013報警信息輸出，通過報警信息得知刀具已到達使用壽命。

通過840D系統可實現為工件計數監控、刀刃監控、磨損監控等多種實時監測監控功能，為柔性制造系統刀具的實時監測提供了很好的手段。

表1 刀具壽命管理表

2）刀具跟蹤管理實現

刀具壽命管理表可直接由840D系統提供，也可通過主控站WinCC建立刀具壽命監控表，刀具壽命監控表的內容包括工序號、刀具號、使用壽命、報警壽命，如表1所示。

同時，FMS 1600柔性制造系統具有MCIS信息管理系統，通過以太網，可以把柔性線上所有的刀具監控信息傳送到MCIS管理中心的刀具管理（TDI）庫監控，無論刀具是固定在一臺設備上使用，還是在FMS系統加工中心單元流動使用（前提是刀具安裝了電子識別標簽），刀具信息和使用壽命將被TDI自動地實時監控，為FMS 1600柔性制造系統的刀具資源滿足加工需求保駕護航。

3 結束語

鑒于刀具磨損在線檢測和刀具壽命跟蹤技術對柔性制造系統的重要性，本文結合企業現場實際需求，通過分析刀具磨損在線檢測原理，形成了適合于FMS 1600柔性制造系統刀具磨損檢測的方案和具體實施辦法，發現切削速度和切削厚度是影響刀具壽命的主要因素，提出了使用雷尼紹NC4刀具磨損檢測系統進行刀具壽命監控的措施，在此基礎上，通過工件計數、刀具壽命和刀具磨損的監控實現了刀具壽命跟蹤管理。實際應用證明，本文提出的刀具磨損在線檢測方案和刀具壽命跟蹤管理技術準確且控制效率高，可以有效提升FMS工件加工合格率和加工精度。

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