基于功率監(jiān)控的深孔加工刀具過載保護系統(tǒng)設計

丁健生

摘 要：針對數控機床在進行深孔鉆削加工時刀具易折斷的問題，提出了一種基于功率檢測原理的刀具過載保護方案，并開發(fā)了刀具過載保護系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過對數控機床的功率進行在線采集，實時判斷刀具負載狀況，當出現(xiàn)負載超限時對主軸進行急停保護，從而實現(xiàn)對刀具的過載保護功能。

關鍵詞：鉆削加工；刀具保護；840D

1 概述

數控機床在進行深孔鉆削加工時，經常因纏屑、刀具斷刃等原因導致刀具負載突增、扭矩過大而造成刀具瞬間折斷。由于事發(fā)突然，操作者往往來不及采取處理措施而直接導致刀具報廢，機床受損。同時折斷的刀頭嵌入工件中，往往又造成工件報廢。因此，如果能研究一種自動化刀具過載保護系統(tǒng)，能夠在刀具負載超限前主動停機，避免刀具折斷，將對節(jié)約加工成本，提高加工的成功率具有重要意義。

研究發(fā)現(xiàn)，刀具折斷都是發(fā)生在鉆削扭矩急速增大的瞬間，此時機床主軸電機的功率也發(fā)生相應變化。如果能夠跟蹤采集這些信號，并從中提取有效特征信息，建立特征信息與刀具載荷的對應關系，則能在刀具過載之前，提前預判，快速采取措施停止加工，達到保護刀具和工件的目的。

目前主流的開放式數控系統(tǒng)都具有開放的軟硬件接口，通過這些接口可以直接獲取上述功率信號且不需要硬件投入，不改變機床原有結構，對機床原有功能沒有影響，這給集成化的刀具過載保護系統(tǒng)提供了可能。對此，本文針對配備了西門子840D數控系統(tǒng)的加工中心，研究了其功率采集方案，并利用其開放性設計了刀具過載保護系統(tǒng)，實現(xiàn)了深孔加工時對刀具的過載保護功能。

2 系統(tǒng)結構設計

系統(tǒng)的整體結構如圖1所示。 840D數控系統(tǒng)與刀具過載保護系統(tǒng)協(xié)同工作，其中840D數控系統(tǒng)通過內置的PLC向刀具過載保護系統(tǒng)提供主軸功率的模擬量數據及確立加工時段的開關量數據。刀具過載保護系統(tǒng)實時測控主軸的功率變化，當判斷刀具處于過載狀態(tài)時，向PLC發(fā)送停機信號，PLC收到停機信號后通知NCK執(zhí)行一段預先編制的停機程序，停止主軸轉動，從而保護刀具免于折斷。

圖1 刀具過載保護系統(tǒng)結構示意圖

西門子840D數控系統(tǒng)由NCK+PLC+PC三級控制結構組成，其中NCK（Numeric Control Kernel）負責數控加工的核心功能；PLC負責刀庫等外圍電氣的控制；PC負責機床控制面板的顯示和操作。數控系統(tǒng)內置了多種傳感器，包括主軸功率在內的數據都存儲在NCK的狀態(tài)變量里，利用機床PLC可以讀取這些變量，再通過PLC自帶的模擬量輸出模塊輸出。而在過載保護系統(tǒng)一側，再通過數據采集卡實現(xiàn)模擬量到數字量的轉換，從而無需加裝任何外置傳感器就可以實時獲得主軸的功率，為刀具過載狀態(tài)的判斷提供基礎。

基于功率監(jiān)控原理實現(xiàn)刀具過載保護的另一個難點是如何確定有效加工時段。數控加工中心在進行換向等操作時，其功率數據會顯著增大，甚至超過鉆削加工時的功率。因此過載保護系統(tǒng)必須能夠確定加工中心現(xiàn)在是否正處于鉆削加工狀態(tài)，從而決定是否進行功率監(jiān)控和刀具保護。

對此本文采用在NC加工程序中嵌入擴展的M指令的方式來實現(xiàn)有效加工時段的確定。具體實現(xiàn)方式為：在NC程序的鉆削加工開始指令前加入M75指令，在鉆削加工結束指令后加入M76指令。當加工程序執(zhí)行至該指令時，機床PLC向數據采集卡輸出一組相應的開關量。過載保護程序捕獲到該開關量，根據該開關量來開啟或關閉監(jiān)控功能。

3 過載判別算法設計

在獲取加工時段的功率數據后，由于功率數據中包含有干擾信息，其瞬時數據可能會出現(xiàn)高于正常加工時平均功率的情況。此外，即使正常加工過程中，也存在功率瞬時突增又迅速回落的情況，因此不能簡單的利用閾值法對瞬時功率進行判斷，來確定刀具是否處于過載狀態(tài)。

對此，本文采用了滑動窗口求平均的方法來防止突變，即i時刻的功率：

式中Pk為k時刻主軸功率的原始數據，P'i為i時刻主軸功率濾波后的數據，2n+1為窗口大小。對n值的選取要注意，如果n值過小起不到去噪的作用，而n值過大將使系統(tǒng)變得遲鈍，使得刀具折斷發(fā)生在過載狀態(tài)識別之前，失去保護作用。n值的確定與數據采集程序的采樣頻率有關，頻率高則n值大，反之n值則較小。本系統(tǒng)的采樣頻率為100HZ，通過試驗，n值定為40左右可兼顧系統(tǒng)的實時性與穩(wěn)定性。

對濾波后的功率P'i與預設的峰值功率Pmax對比，如果高于后者，則視為刀具過載狀況發(fā)生，此時啟動停機保護動作，否則繼續(xù)監(jiān)控主軸功率直至收到鉆削加工結束信號。

對于P'i的計算，可以采用迭代算法進行優(yōu)化，即

從而減少對加法的重復計算。

4 后處理設計

當檢測到刀具過載發(fā)生后，還需要適當的動作使主軸停止下來，以避免刀具折斷，即過載保護的后處理。最簡單的后處理方法是通過繼電器直接給主軸斷電，但由于轉動慣量的存在，主軸斷電后并不能迅速停止轉動，從而使系統(tǒng)的保護作用延遲，效果不理想。而且突然斷電對數控系統(tǒng)的穩(wěn)定性也會產生影響。

另外一種方案是在主軸與刀具之間加裝電磁離合器裝置，過載發(fā)生時由程序控制使主軸與刀具分離，刀具失去動力迅速停止下來，但該方案需要額外的硬件投入，且對加工中心硬件改動大，存在影響加工精度的風險。

本文在解決這一問題時再一次利用了840D數控系統(tǒng)的開放性，當刀具過載保護系統(tǒng)檢測到過載發(fā)生后，向840D的PLC發(fā)送一開關量停機信號，通過在PLC中編程，使之在收到停機信號后，向NCK發(fā)送指令，使NCK暫停當前正在執(zhí)行的加工程序，轉而調用另一段預先編制的停機程序，使主軸停止。從而實現(xiàn)不借助額外機電裝置的前提下，實現(xiàn)刀具保護。

5 結束語

本文以裝備840D數控系統(tǒng)的加工中心為研究對象，在不改變機床原有結構的前提下，設計了一種基于功率監(jiān)控原理的刀具過載保護系統(tǒng)。利用840D系統(tǒng)的開放性，實現(xiàn)主軸功率數據的采集，在此基礎上采用滑動平均及閾值判斷法實現(xiàn)刀具過載狀態(tài)的識別，最后通過PLC與NCK的交互來完成主軸停機動作，從而實現(xiàn)刀具過載保護功能。

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