基于功率監(jiān)控的深孔加工刀具過載保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計

丁健生

摘 要：針對數(shù)控機(jī)床在進(jìn)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(hù)方案，并開發(fā)了刀具過載保護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過對數(shù)控機(jī)床的功率進(jìn)行在線采集，實時判斷刀具負(fù)載狀況，當(dāng)出現(xiàn)負(fù)載超限時對主軸進(jìn)行急停保護(hù)，從而實現(xiàn)對刀具的過載保護(hù)功能。

關(guān)鍵詞：鉆削加工；刀具保護(hù)；840D

1 概述

數(shù)控機(jī)床在進(jìn)行深孔鉆削加工時，經(jīng)常因纏屑、刀具斷刃等原因?qū)е碌毒哓?fù)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(dǎo)致刀具報廢，機(jī)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(hù)系統(tǒng)，能夠在刀具負(fù)載超限前主動停機(jī)，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(jī)床主軸電機(jī)的功率也發(fā)生相應(yīng)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(yīng)關(guān)系，則能在刀具過載之前，提前預(yù)判，快速采取措施停止加工，達(dá)到保護(hù)刀具和工件的目的。

目前主流的開放式數(shù)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(jī)床原有結(jié)構(gòu)，對機(jī)床原有功能沒有影響，這給集成化的刀具過載保護(hù)系統(tǒng)提供了可能。對此，本文針對配備了西門子840D數(shù)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(shè)計了刀具過載保護(hù)系統(tǒng)，實現(xiàn)了深孔加工時對刀具的過載保護(hù)功能。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。 840D數(shù)控系統(tǒng)與刀具過載保護(hù)系統(tǒng)協(xié)同工作，其中840D數(shù)控系統(tǒng)通過內(nèi)置的PLC向刀具過載保護(hù)系統(tǒng)提供主軸功率的模擬量數(shù)據(jù)及確立加工時段的開關(guān)量數(shù)據(jù)。刀具過載保護(hù)系統(tǒng)實時測控主軸的功率變化，當(dāng)判斷刀具處于過載狀態(tài)時，向PLC發(fā)送停機(jī)信號，PLC收到停機(jī)信號后通知NCK執(zhí)行一段預(yù)先編制的停機(jī)程序，停止主軸轉(zhuǎn)動，從而保護(hù)刀具免于折斷。

圖1 刀具過載保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

西門子840D數(shù)控系統(tǒng)由NCK+PLC+PC三級控制結(jié)構(gòu)組成，其中NCK（Numeric Control Kernel）負(fù)責(zé)數(shù)控加工的核心功能；PLC負(fù)責(zé)刀庫等外圍電氣的控制；PC負(fù)責(zé)機(jī)床控制面板的顯示和操作。數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置了多種傳感器，包括主軸功率在內(nèi)的數(shù)據(jù)都存儲在NCK的狀態(tài)變量里，利用機(jī)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(hù)系統(tǒng)一側(cè)，再通過數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)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(chǔ)。

基于功率監(jiān)控原理實現(xiàn)刀具過載保護(hù)的另一個難點是如何確定有效加工時段。數(shù)控加工中心在進(jìn)行換向等操作時，其功率數(shù)據(jù)會顯著增大，甚至超過鉆削加工時的功率。因此過載保護(hù)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(jìn)行功率監(jiān)控和刀具保護(hù)。

對此本文采用在NC加工程序中嵌入擴(kuò)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(jié)束指令后加入M76指令。當(dāng)加工程序執(zhí)行至該指令時，機(jī)床PLC向數(shù)據(jù)采集卡輸出一組相應(yīng)的開關(guān)量。過載保護(hù)程序捕獲到該開關(guān)量，根據(jù)該開關(guān)量來開啟或關(guān)閉監(jiān)控功能。

3 過載判別算法設(shè)計

在獲取加工時段的功率數(shù)據(jù)后，由于功率數(shù)據(jù)中包含有干擾信息，其瞬時數(shù)據(jù)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(jìn)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(shù)據(jù)，P'i為i時刻主軸功率濾波后的數(shù)據(jù)，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(hù)作用。n值的確定與數(shù)據(jù)采集程序的采樣頻率有關(guān)，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(yù)設(shè)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(jī)保護(hù)動作，否則繼續(xù)監(jiān)控主軸功率直至收到鉆削加工結(jié)束信號。

對于P'i的計算，可以采用迭代算法進(jìn)行優(yōu)化，即

從而減少對加法的重復(fù)計算。

4 后處理設(shè)計

當(dāng)檢測到刀具過載發(fā)生后，還需要適當(dāng)?shù)膭幼魇怪鬏S停止下來，以避免刀具折斷，即過載保護(hù)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(zhuǎn)動慣量的存在，主軸斷電后并不能迅速停止轉(zhuǎn)動，從而使系統(tǒng)的保護(hù)作用延遲，效果不理想。而且突然斷電對數(shù)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性也會產(chǎn)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(fēng)險。

本文在解決這一問題時再一次利用了840D數(shù)控系統(tǒng)的開放性，當(dāng)?shù)毒哌^載保護(hù)系統(tǒng)檢測到過載發(fā)生后，向840D的PLC發(fā)送一開關(guān)量停機(jī)信號，通過在PLC中編程，使之在收到停機(jī)信號后，向NCK發(fā)送指令，使NCK暫停當(dāng)前正在執(zhí)行的加工程序，轉(zhuǎn)而調(diào)用另一段預(yù)先編制的停機(jī)程序，使主軸停止。從而實現(xiàn)不借助額外機(jī)電裝置的前提下，實現(xiàn)刀具保護(hù)。

5 結(jié)束語

本文以裝備840D數(shù)控系統(tǒng)的加工中心為研究對象，在不改變機(jī)床原有結(jié)構(gòu)的前提下，設(shè)計了一種基于功率監(jiān)控原理的刀具過載保護(hù)系統(tǒng)。利用840D系統(tǒng)的開放性，實現(xiàn)主軸功率數(shù)據(jù)的采集，在此基礎(chǔ)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(jī)動作，從而實現(xiàn)刀具過載保護(hù)功能。

參考文獻(xiàn)

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