基于多通道位移傳感器的刀具斷裂檢測

耿欣，顧紅光

(1.沈陽工學院信息與控制學院，遼寧撫順113122;2.沈陽機床成套設備有限責任公司技術部，遼寧沈陽 110142)

當今數控機床的自動化程度非常高，尤其是自動生產線上的加工機床，基本用很少的人員來維護生產線的正常運轉，所以數控機床的可靠性就尤為重要。如果故障率太高，就需要增加人員，同時嚴重影響機床加工效率。在機床的故障中，刀具斷裂是主要故障之一，同時也是對機床及工件損壞最大的故障之一。刀具斷裂會造成工件未加工或未加工完全，很可能會對后面的刀具造成損壞，如果通過機械手流到下工序之后很可能對下一工序的機床造成二次傷害。刀具斷裂的檢測一般都會浪費加工節拍，尤其在用到刀庫的機床，由于刀具較多，需要進行刀具斷裂檢測花費時間更長。文中介紹一種新型位移傳感器，可以用來檢測刀具斷裂，基本上不占用機床加工節拍，同時能盡量多地檢測刀具數量。

1 正常刀具斷裂檢測的方法

當今機床上的刀具斷裂檢測主要以下面兩種方案為主:

一種是應用觸點式傳感器進行檢測，把觸點式傳感器固定在機床加工區某一位置，加工時，刀具先快速移動到傳感器前，然后減速向前一小段位移，如果傳感器發出信號則視為刀具正常，反之刀具斷裂。

另一種是應用對射傳感器，即兩個紅外線傳感器，一端發射光源，另一端接收光源。把兩個傳感器分別安在加工區的兩個固定位置，加工時，刀具快速移動到傳感器發射光源區域，如傳感器反饋回信號，說明刀具正常，反之刀具斷裂。

這兩種方案中，如果檢測刀具多的話，第一種方案大大影響加工節拍，因為接觸式的有一個減速接觸的過程，刀具多了會嚴重影響加工效率。第二種方案中，因為紅外線傳感器安裝在加工區，所以易被加工的冷卻液及油霧污染，由于發光體表面被油霧污染之后很容易阻擋光線發射接收，造成誤報警或功能失效;如果安裝位置遠離加工區，則每次檢測時刀具移動距離過遠，影響加工節拍。

從以上分析來看，如需要檢測斷裂的刀具較少可用接觸式傳感器檢測;如果加工中沒有冷卻液和油霧等可用紅外線傳感器進行檢測;當需要檢測的刀具較多且加工時有冷卻液或油霧的存在，則以上兩種檢測方法均不適宜應用。

2 多通道位移傳感器介紹

多通道位移傳感器由傳感器體及傳感器頭組成，如圖1所示。

圖1 多通道位移傳感器實物圖

在使用過程中，傳感器體安裝在機床面板上或電氣柜內，傳感器頭安裝在靠近刀具檢測的位置上，傳感器體與傳感器頭通過光纜連接。傳感器體控制傳感器頭發射激光，把檢測刀具置于傳感器頭發射的激光范圍內，傳感器頭將反射回的光線反饋到傳感器體，傳感器體會檢測發光點到反射光點的距離，從而判定刀具是否斷裂。不同型號的傳感器發射光線的距離不同，可根據所需檢測的最長刀具與最短刀具的距離來選定傳感器型號。同時，此傳感器可設定為4通道檢測模式，即每個通道設置一組位移值，共可存儲4組位移值，即可檢測4種不同長度的刀具。在使用時先分別采集4種刀具的刀尖距離傳感器頭表面的位移值，分別存儲在各自的通道內，當檢測時先通過數控系統發出不同的指令來激活不同的通道對不同的刀具進行檢測。

3 多通道位移傳感器接線圖及電路控制圖

多通道位移傳感器的接線圖如圖2所示。

圖2 多通道位移傳感器接線功能圖

其中包括電源供電線、高出或低于存儲位移值范圍內的判定輸出、在設定范圍允許內的判定輸出、模擬輸出 (此應用未用到)、4個外部輸入。其中4個外部輸入中1未用，2、4一起組成4個通道的選擇，3為激光生效控制。高低判定輸出分別是對應于實際測量值高于或低于存儲值，因此應用為刀具斷裂檢測，所以只用高判斷輸出，即刀具斷裂之后檢測的刀具與發光點的位移肯定大于存儲值。另外在刀具加工過程中肯定有磨損現象，所以在設定允許范圍內應將實際刀具磨損量考慮到其中。

具體控制電路圖如圖3所示。

圖3 多通道位移傳感器與PLC連接電路圖

4 多通道位移傳感器安裝與應用

根據此傳感器在同一位置可以測量多把不同長度刀具的特點，可以用在有刀庫的機床中。在有刀庫的機床中，為了節約加工時間，都是在機床正常加工過程中同時把下一把需要用的刀具預選出來。可以根據這個特點把傳感器安裝在刀庫選刀處，通過一個氣缸擺動裝置，當需要測量時把傳感器伸出進行測量，當測量完畢再退回。因為是非加工區域，所以避免了冷卻液等油霧污染，同時在機床加工過程中進行測量又對機床的加工節拍沒有影響。

在應用過程中，當備選的刀具需要進行刀具檢測時，在加工程序中直接編寫一指定的M碼對應某一特定的刀具就可直接進行測量。當測量后判斷輸出正常則刀具正常可以進行加工，當高判斷輸出時則表明此刀具斷裂不能進行繼續加工。

使用前，先把要測量的刀具進行分類排序定義，如應用一個傳感器則把刀庫上被測量的刀具按長短分成4組或少于4組。然后對應不同的刀具分別激活不同的通道，把當前的位移值存儲到傳感器中。通過傳感器體上的設置鍵進行高判定輸出值及正常判定范圍輸出值設定。

5 多通道位移傳感器PLC程序控制

通過給外部輸入2、4賦值來進行4個通道的選擇，這里把2、4定義成A、B通道。當A、B分別為0、0，0、1，1、0，1、1時，對應1、2、3、4四個通道。當3為1時即激光生效，開始進行測量。在控制中，分別用4個M碼指令啟動4個通道，在加工程序中，當需要檢測某把刀具時，就用指定的M碼進行檢測。

在實際調試過程中發現，當正常判定輸出后把激光生效Q47.3及通道控制Q47.2、Q47.4信號同時復位掉之后，有時候會發出報警信號。經檢查發現激光生效信號與通道控制信號不能完全同步消失，當通道控制信號比激光生效信號先復位掉時，由于通道信號復位之后變成0、0，這個組合為1通道刀具檢測通道，而此時激光生效信號還沒有復位，此時系統認為現在檢測1通道刀具斷裂，如果當前刀具沒有1通道的刀具長就會發生報警。所以，在下面的程序的處理中，當正常判定輸出后先復位掉激光生效信號Q47.3，通過此信號在復位通道生效信號，如:程序Net work 15、Net work 16所示。

具體PLC程序控制部分如下所示:

6 結束語

此傳感器的應用解決了刀具檢測浪費機床加工節拍的問題，同時傳感器安裝在遠離加工區域內避免了油霧污染傳感器而產生的誤報警等現象。在備選刀處檢測而不是在換刀之后檢測，避免了不同的刀具運動到不同的坐標進行檢測，從而簡化了加工程序。此傳感器能同時檢測4種不同長度的刀具，如果加工中需要檢測的刀具長度多于4種，就需要增加多通道傳感器的數量。

［1］KEYENCE CMOS多功能模擬激光傳感器IL系列用戶手冊［M］.

［2］西門子(中國)有限公司STEP 7 V5.2 編程手冊［M］，2003.