伺服電動機扭矩監控在刀具檢測中的應用

呂成偉

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伺服電動機扭矩監控在刀具檢測中的應用

呂成偉

（北京福田康明斯發動機有限公司，北京 102206）

隨著機床在線檢測技術的發展，出現了很多機床刀具的磨損和斷裂的檢測方法，對于一些沒有斷刀檢測報警的組合機床，以及一些受空間限制的機床改造，無法新增斷刀檢測后報警的功能，因此提出了采用對伺服電動機的扭矩監控，同時通過PLC程序來實現對刀具狀態的在線檢測和報警。此應用具有模塊化、成本低、應用范圍廣的特點；無需對機床硬件進行任何改動，也可以配合其他的刀具在線檢測方法同時使用，更準確地檢測出刀具狀態的變化。

PLC；斷刀檢測；伺服電動機；扭矩監控

組合機床大部分采用多個軸、多把刀、多道工序、多個面或多個工位同時加工的方式，生產效率與通用機床相比高出很多。同時可以根據工藝需求靈活制造和配置，制造的周期也很短。因此，組合機床的優點是高效率柔性強，在批量生產上應用非常廣泛。本文以一種加工發動機缸蓋的組合機床設備為例，機床的主要工藝是加工進排氣面和座圈孔，設備采用西門子S7-317 PLC核心控制，通過Profibus通信連接西門子611U伺服驅動模塊，使用西門子MP277觸摸屏和兩個可移動的觸摸屏來顯示機床和工件的信息以及進行手動操作。機床共有19個在線傳送工位，安裝有16個自動機械加工工位和3個空工位，安裝兩個工件90°旋轉工位和一個燃燒室端面自動測量工位，設備通過與自動傳送桿連接實現自動傳送工件。

圖1 缸蓋組合機床布局圖

1 現有組合機床刀具在線檢測的原理

刀具在線檢測的方法很多，主要的方法有功率檢測、學習模式、力檢測、聲發射檢測等[1-2]。圖1所示設備布局中的Stations 3-4L、6-7L、9-10L是具有利用冷卻液的流量和壓力來進行斷刀檢測的系統。圖2通過高壓冷卻液在刀具中的流量和壓力，來判斷刀具是否正常或者受到損害，每個流量開關和壓力開關都安裝在冷卻液到達刀具之前，并設置一個冷卻液通過刀具的流量和壓力范圍，當刀具損壞或內部冷卻堵塞時，通過刀具的冷卻液的流量或壓力就會超出設置的極限范圍，觸發設備停機報警，并在HMI屏幕上顯示報警信息。

圖2 工位部分冷卻系統

2 刀檢主要問題以及改造方案的確定

2.1 機床通過內冷在線檢測刀具存在的問題

刀具的在線檢測技術，不僅能降低成本，提高加工時生產效率，而且對于產品優化組合、減少設備的故障率都會起到很大的作用[3-6]。本文設備使用刀具內部的冷卻管路，從刀身到刀尖是由粗到細變化的，機床通過冷卻液的流量和壓力來在線檢測刀具是否斷刀和損壞，主要存在以下問題：

1）在加工工件過程中，當刀具從刀尖處斷裂時，由于刀尖處的冷卻管路的孔很細，所以有時對冷卻管路的流量和壓力影響不大，沒有超出設置的極限范圍，即機床不會觸發停機報警，后果造成大批量的工件加工不合格，甚至報廢，對經濟效益產生極大的影響。

2）如果冷卻液中有雜質堵塞冷卻管路，如鐵屑、油泥等，冷卻管路流量和壓力就會產生波動，有可能會超出流量和壓力的設置范圍，即機床觸發停機報警，后果造成機床誤報警，增加停機和維修時間，對生產效率產生影響。

以上兩種情況在實際生產中產生的后果很嚴重，而且已經不止一次發生，故必須采取相應的 措施。

2.2 改造方案的確定

根據刀具檢測在工業領域的應用經驗，最初提出了以下幾個參考方案。

1）在機床需要刀檢的工位上增加檢測刀具長度的感應開關。

2）在機床需要刀檢的工位上增加檢測刀尖位置的光電開關。

3）在機床需要刀檢的工位上增加其他廠家的斷刀檢測器。

4）在機床的空工位增加檢測缸蓋加工之后的相應孔是否合格的機構。

5）使用Artis刀具在線監控系統。

考慮到設備內潮濕、安裝空間不足、改造成本和時間、改造風險等原因，以上均不是最可行的方案，最終提出是否可以不增加任何檢測機構，只在軟件或程序上改動，來實現在線斷刀檢測的方案。

經過以上的分析，切削加工過程中刀具所受的負載力有很多影響因素，根據刀具在線檢測的方式，主軸轉速、切削深度、進給速度、加工材料4個因素的影響比較大，但在機床的實際加工過程中，刀具主軸轉速、切削深度、進給速度、加工材料這4個因素都是不變的，推測出刀具在加工過程中所受到的負載力，隨著進給的增加，應該是一個線性變化的曲線，因此可以通過檢測刀具電動機的扭矩變化情況，建立進給伺服電動機位置與電動機扭矩的關系式，根據電動機反饋的受力情況來判斷刀具是否斷 裂[7]。刀具的進給電動機是由伺服電動機來控制，因此通過Profibus通信可以將伺服電動機的位置和扭矩傳送給PLC，再通過PLC的運算和邏輯，來實現扭矩出現異常時報警顯示。

此方法雖然是通過伺服電動機的扭矩值間接測量刀具的狀態，但是只需要更改PLC程序即可，不受設備工況，安裝空間的影響，而且節省了改造成本和時間。

3 系統改造的實施過程

3.1 數據采集

通過數據采集的方法來確定伺服電動機的位置值與扭矩值的關系式。采樣方式使用西門子STEP7軟件工具，監控實時的伺服電動機的位置值與扭矩值的對應關系，采樣頻率為1mm。

在正常加工工件時，西門子伺服控制模塊與PLC使用Profibus通信，將伺服電動機的位置值和扭矩值傳送至PLC程序的數據塊中，圖3通過監控PLC程序中的數據塊，采集611U驅動模塊中工進伺服電動機位置值和在此位置的扭矩值，并記錄。由于伺服電動機的位置值和扭矩值不斷變化，所以采用軟件截屏的方式，來確定伺服電動機某位置值所對應的扭矩值。刀具加工進給的總行程為64.5mm，設定采樣頻率為1mm，即保證伺服電動機每進給1mm的區間內均采集一個相應位置的電動機扭矩值，共采集65個數據樣本。

圖3 使用西門子軟件監控伺服電動機位置與扭矩值

3.2 數據分析

首先，將刀具的加工過程按受力情況分為4個區間，并通過圖紙計算出電動機在相應的臨界位置值，伺服電動機原點位置值POS=22700。

第一區間：POS=22700～12500刀具與工件無接觸，力矩穩定。

第二區間：POS=12500～8000刀具剛與工件接觸，力矩上升。

第三區間：POS=8000～-36750刀具加工工件，力矩線性變化。

第四區間：POS=-36750～-41800刀具加工完成工件，準備退刀。

然后，根據在線采集出的數據樣本進行分析，將橫坐標軸（POS軸）設定為伺服電動機的位置值，將縱坐標軸（TOR軸）設定為伺服電動機的扭矩值，可以繪制出圖4，即進給電動機的不同位置與所受扭矩之間關系的散點圖曲線。

圖4 伺服電動機扭矩與加工位置的散點圖

經過以上分析，監控刀具在不同位置的受力的情況可以通過伺服電動機扭矩的變化來反映，而且由于在第一區間內刀具并沒有與工件接觸，在第四區間內刀具已加工完成工件，而斷刀都是發生在刀具沒有加工完成時，因此只需要在刀具與工件接觸的第二區間和第三區間來進行分析，第二區間為刀具受力上升的區間，電動機受到扭矩的應為平穩上升，因此，第二區間的最大扭矩只要不超過第三區間平穩加工時的扭矩范圍即可；第三區間為刀具受力平穩的加工過程，根據伺服電動機的扭矩與位置近似呈的線性變化，可得出近似線性方程如式（1）所示，第三區間伺服電動機扭矩與加工位置的散點圖如圖5所示。

曲線近似方程為

y= -0.0027x+1319R2=0.7832

式中，為伺服電動機扭矩，為加工位置，2為回歸系數，2趨近于1曲線的擬合程度越好。其中-36750＜＜8000，當=-36750時，=1418.225為最大值。

3.3 PLC和觸摸屏的更改

使用SIEMENS的PLC軟件STEP7 對程序進行更改，在原有項目中增加一個功能塊FC300，命名為FC_Tool_Inspect；數據塊DB300，命名為DB_Tool_Inspect。在程序塊FC300中編寫如下程序段，如圖6所示。

由于不同刀具最大扭矩的設定值可能會有差異，所以為了增強不同刀具監控設定值的可操作性，圖7在觸摸屏操作面板上增加一個刀具信息頁面，來實現在線斷刀檢測的可視化和易操作性。

圖7 觸摸屏刀具信息頁面

4 實驗過程與驗證

設備連續正常加工10件工件，將觸摸屏監控扭矩的最大值設定為1300N·m，加工過程中設備出現報警提示，等待其他所有工位加工完成時，設備停止運轉，操作人員確認檢查刀具狀態。斷刀操作需要操作人員更換刀具，如果刀具狀態正常，就需要檢查監控扭矩的最大值設定是否合理。

更改觸摸屏監控扭矩的最大值設定值為1500N·m，通過監控STEP7軟件數據塊中的數據，發現加工每件時的實際最大扭矩均未超過扭矩設定的最大值，設備正常運轉無斷刀檢測報警。檢測加工完成后的工件尺寸合格，并做到定期抽檢。

每次換刀后可能對扭矩的最大值有一些影響，為了降低誤判率，每次換刀后加工的首件需要監控實際最大扭矩是否超過了之前的設定值，根據實際扭矩值調整設定的最大扭矩值。

5 誤判和風險

此方法是在設備改造空間有限，同時不增加任何硬件的的條件下，通過伺服電動機的反饋數據間接地檢測刀具狀態，因此會存在一定的誤判率和風險。

由于電動機的扭矩過大原因不僅僅是刀具狀態引起的，當電動機本身發生故障或者設備出現機械故障時，均可導致設備的報警停機，造成檢測的誤判。同時，監控最大扭矩的設定值是通過實驗后的經驗所得，若人為設定的值偏小，則也會導致誤判的風險存在。為了將人為因素導致的誤判率降到最低，在HMI的設定刀具監控界面上可增加訪問操作的權限，只有特點授權人員可以進行更改。

雖然使用此方法后設備的誤判率會有所上升，但是成本比較低，產生誤判時均會造成設備的停機，必須操作人員確認刀具的狀態，這樣避免了批量廢品的產生，提高了產品的質量。

6 結論

本文根據從實驗得到的數據進行分析和統計，按照誤差最小的原則，歸納出變量之間的數學表達式的方法，也稱做經驗建模，應用到刀具在線檢測中，對機床斷刀的檢測雖然有一定的誤判風險，但為了避免批量廢品的產生還是可行的，同時實現了刀具檢測的可視化和可調整性，從而提高了生產效率，降低了設備的改造成本，此方法也可以與其他刀具在線檢測設備儀器同時使用。

[1] 陳雷明, 楊潤澤, 張治. 基于銑削刀的刀具磨損監控研究[J]. 機械制造與自動化, 2011, 40(1): 49-50.

[2] 韓亞利, 陳勇. 基于小波分析的數控刀具狀態在線監控系統[J]. 裝備制造技術, 2009(7): 71-73.

[3] 陳勇, 周志平, 洪小麗. 數控切削過程中的刀具破損在線監控[J]. 組合機床與自動化加工技術, 2008(6): 52-54.

[4] 高中濤, 劉仁龍, 張偉. 接觸式斷刀偵測系統的研究和應用[J]. 制造技術與機床, 2007(11): 20-22.

[5] 黃茂正. 加工中心的刀具監控技術發展應用淺談[J]. 制造技術與機床, 2006(12): 21-24, 32.

[6] 朱紅波, 梅衛江. 刀具磨損識別方法的分析與研究[J]. 裝備制造技術, 2012(2): 22-23, 34.

[7] 徐創文, 陳花玲, 劉曉斌. 偏最小二乘回歸在刀具磨損試驗建模中的應用[J]. 系統仿真學報, 2007, 19(13): 3115-3118, 3125.

Application of Torque Monitor of Servo Motor in the Tool Detection

Lv Chengwei

(Beijing Foton Cummins Engine Co., Ltd, Beijing 102206)

With the development of the machine tool online detaction, there are many methods of detect the tool wear and fracture. For the machine have no tool break detection alarm and being limited by the space, which can’t add the alram of tool detection. It raised we can monitor the torque and improve the PLC programs, in order to detecting the tool condition online. The characteristics of the application are module, low cost and wide range of application. No changes to the hardware of the machine, also can use other methods of the tool detection in the same time. Detect the tool condition more accurately.

PLC; tool detection; servo motor; torque monitoring

呂成偉（1982-），男，主任工程師，從事設備電氣維修改造工作。