斷刀檢測及刀具磨損自動補償技術研究

劉宏巖 楊 鑫 楊 健 張云庭 羅鳳吉 羅付強 何鎧鋒

（重慶紅江機械有限責任公司，重慶 402162）

在CNC產品加工過程中，為了保證工件加工的精度，需要進行刀具位置原點校正。傳統方法測量刀具的補償值是每把刀具試切工件后對工件尺寸進行測量和計算得到的。如果刀具的補償值稍有偏差，可能會導致零件報廢。更換刀具后，這項工作還要重復進行。金屬切削過程中不可避免地伴隨著刀具磨損甚至破損的現象。傳統切削通過操作者來判斷刀具是否斷刀和磨損，而操作者全憑經驗判斷，如果未及時發現刀具斷裂，則可能面臨零件報廢，同時造成后續刀具斷裂，帶來巨大的經濟損失和長時間的停機。實踐表明，約20%的機床停機時間是由于刀具破損引起的，因此斷刀檢測和刀具長度的自動補償對控制產品的質量尤為關鍵。

1 測量裝置的選用

斷刀檢測和刀具磨損自動補償通常采用對刀儀實現。對刀儀的種類包括激光對刀儀、插拔式手臂對刀儀、下拉式手臂對刀儀、全自動對刀臂對刀儀以及全自動接觸式對刀儀。其中，全自動接觸式對刀儀性價比較高，能夠較好地實現斷刀檢測和刀具磨損的自動補償功能，并且對刀精度高。經過對比，本文選用美德龍TM26D-2-3-02型號的接觸式對刀儀進行研究。

1.1 對刀儀的功能和組成

接觸式對刀儀是加工中心刀具長度補償中的主要工具，可以實現自動測量功能（測量刀具半徑和刀具長度）、自動補償功能（補償刀具長度磨損和刀具半徑磨損）以及自動停機報警功能（刀具磨損超差、斷刀時報警）[1]。接觸式對刀儀的組成如圖1所示。

1.2 對刀儀安裝平面水平調節

在對刀儀安裝過程中，需將對刀儀的對刀面與機床工作臺保證平行。將對刀儀固定在機床工作臺后，調節對刀儀兩側的固定螺絲。將杠桿千分表固定在主軸上，將主軸移動到對刀儀的中心，旋轉主軸，使千分表的跳動量控制在0.01mm以內。只有對刀平面安裝水平后，對刀精度才能為0.001mm，從而保證對刀的準確性。

圖1 接觸式對刀儀

2 電氣部分連接

2.1 對刀儀的電氣連接

接觸式對刀儀的接線點有4個或6個。6個的接線比4個多了1個超行程保護，與急停連接，具體接線如圖2所示。

2.2 與機床跳轉信號的連接

在對刀過程中，刀具接觸到對刀儀上表面后，主軸需要退回。因此，對刀儀必須連接數控系統的跳躍信號點。FANUC機床的跳躍信號點為X4.7，因此需將橙色的線與機床的X4.7連接，從而保證對刀儀有信號時主軸能夠停止進給。

圖2 對刀儀的電氣接線圖

3 機床增加M指令

對刀儀在機床內部的工作環境中伴隨著鐵屑和切削液。如果測量時有鐵屑在對刀儀平面上，則會導致誤判斷。為了消除此隱患，要在對刀前通過吹氣桿向對刀儀平面吹氣，保證對刀儀平面的清潔。以FANUC系統為例，可在系統的PMC中增加M代碼，如M73（吹氣開）和M74（吹氣關）。

4 數控宏程序的編制和調用

4.1 對刀宏程序的編制

根據對刀儀需要實現的功能來編寫對應的宏程序。

4.1.1 刀具長度的自動補償。

FANUC系統數控機床通過G31進行跳轉功能[2]。例如，G31Z-4F200；G31在沒有遇到跳轉信號（X4.7）時等同于G01，在主軸接觸到對刀儀上表面時（跳轉信號X4.7有信號），主軸停止并刪除剩余行程。此時，可通過#5023記錄主軸當前的位置，如#120=#5023，即將當前主軸的Z值賦值給#120。此時，對刀儀測出的刀長和真實刀長存在一個修正值關系，即：

那么對刀儀測得的當前刀具刀長為：

式中，#[11000+#11]為當前刀具的刀長系統變量，即將測得的刀長賦值給#[11000+#11]，從而實現刀具長度的自動補償。

4.1.2 刀具磨損的自動補償

刀具磨損通過測得的刀長和實際刀長進行對比判斷。如果磨損在允許范圍內，執行磨損補償，#515=ABS[#120-#110]（此次對刀刀長和第一次更換刀具刀長的差值）；如果#515小于設定的磨損值W，將#515賦值給當前刀具長度H的磨損值，即#[10000+#11]=#515，而#[10000+#11]就是當前刀具的長度磨損值，從而實現刀具磨損的自動補償。

4.1.3 斷刀檢測的判斷

如果#515大于設定的磨損值W，磨損超出允許范圍內即判斷斷刀。此時，主軸Z先進行回零，指令為G91G28Z0，然后向機床發出報警信號#3000=6（ATLMTOOL-WAS-BROKEN），屏幕上會出現MC3006 ATLMTOOL-WAS-BROKEN的報警內容，程序停止，從而實現斷刀報警，機床停機。

4.2 宏程序的調用

上述所有過程完成且主程序刀具加工完成后，通過相關指令即可調出編制的宏程序（如程序名稱為O8000），實現斷刀檢測和刀具磨損的自動補償。T2號刀的刀具長度補償調用為G65 P8000 H2。T2號刀的斷刀報警和刀具磨損自動補償調用為G65 P8000 H2 W0.4，此時又分為兩種情況。如果檢測出磨損W小于0.4，進行磨損自動補償；如果檢測出W大于0.4，則判斷為斷刀，并進行停機報警。

5 結語

通過研究和現場驗證斷刀檢測及刀具磨損自動補償技術，實現了刀具的長度補償、斷刀檢測、停機報警以及刀具磨損的自動補償功能。在機房加工過程中，通過磨損的自動補償能有效保證產品加工的穩定性。在判斷斷刀時，數控宏程序的編制和調用能有效實現停機并且進行報警，從而消除了斷刀帶來的一系列損失，在生產加工過程中能夠大幅度提高產品加工效率，并能穩定控制產品尺寸精度，為自動化的順利實施提供強有力的保證。