刀具磨損在線檢測(cè)及刀具壽命實(shí)時(shí)跟蹤技術(shù)在FMS中應(yīng)用

孫 波，袁 宇

SUN Bo, YUAN Yu

（沈機(jī)集團(tuán)昆明機(jī)床股份有限公司，昆明 650203）

0 引言

在柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing System，F(xiàn)MS）的成功應(yīng)用中，刀具的有效管理對(duì)于提高FMS的生產(chǎn)效益、降低投資及運(yùn)行費(fèi)用有著十分重要的影響。刀具是零件或產(chǎn)品最終成型和產(chǎn)品精度有效保證的一個(gè)重要因素，在數(shù)控刀具的選擇上本身就有這樣一個(gè)原則：壽命高，切削性能穩(wěn)定、可靠。然而，作為切削工具，刀具的破損和磨損一直是個(gè)問題，而隨之帶來的廢品率、返修率、生產(chǎn)延誤等，大大的降低了整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的效率，增加了運(yùn)行成本[1,2]。

沈機(jī)集團(tuán)昆明機(jī)床股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱昆機(jī)）研發(fā)的FMS 1600柔性制造系統(tǒng)，是由七臺(tái)雙工位臥式加工中心TH6513B/2、30塊高精度大規(guī)格工作臺(tái)（1600mm×1800mm）、有效行程大于50米的物流運(yùn)輸線和24個(gè)緩沖存儲(chǔ)站等組成，如圖1所示。每臺(tái)加工中心獨(dú)立配備了80把刀的刀庫，對(duì)于這樣一個(gè)龐大的數(shù)控機(jī)床加工群和刀具資源庫，進(jìn)行刀具磨損檢測(cè)和在線刀具壽命實(shí)時(shí)跟蹤統(tǒng)計(jì)技術(shù)的研究勢(shì)在必行。力求結(jié)合企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)，以為設(shè)備提供合格刀具的目的，通過刀具磨損檢測(cè)和壽命實(shí)時(shí)跟蹤，保證刀具資源滿足加工條件需求，從而提高柔性制造系統(tǒng)的生產(chǎn)效益、降低投資及運(yùn)行費(fèi)用。

圖1 FMS 1600柔性制造系統(tǒng)

1 刀具磨損在線檢測(cè)技術(shù)研究

1.1 刀具磨損檢測(cè)的優(yōu)選方案

目前，國(guó)內(nèi)外研究刀具磨損的在線檢測(cè)方法分為直接檢測(cè)法和間接檢測(cè)法[3,4]。直接檢測(cè)法包括光導(dǎo)纖維法、電視攝像法、接觸電阻法和光學(xué)法等。間接檢測(cè)法包括切削力法、扭矩法、切削振動(dòng)法、工件尺寸法和工件表面粗糙度法等。但隨著被加工零件的形狀和材質(zhì)的不同，各種方法都有其應(yīng)用的局限性。

考慮到FMS 1600柔性制造系統(tǒng)臥式加工中心的機(jī)械結(jié)構(gòu)，結(jié)合客戶需求，確定選擇NC4作為FMS的刀具檢測(cè)系統(tǒng)。NC4是雷尼紹一款非接觸式對(duì)刀和刀具磨損檢測(cè)系統(tǒng)與軟件，其設(shè)計(jì)緊湊，適合較大的非接觸式系統(tǒng)的機(jī)床，安裝方便且不占用有效行程，其檢測(cè)系統(tǒng)激光束可達(dá)5米，F(xiàn)MS 1600柔性制造系統(tǒng)加工群設(shè)備每臺(tái)配備一套，實(shí)現(xiàn)了在線檢測(cè)功能，提高了檢測(cè)效率。

1.2 刀具磨損檢測(cè)的實(shí)施過程

根據(jù)上述優(yōu)選的刀具磨損檢測(cè)方法，制定了相應(yīng)的刀具磨損檢測(cè)的具體實(shí)施過程如下：

1)檢測(cè)系統(tǒng)的電氣連接：解決NC4的應(yīng)用；

2)坐標(biāo)軸定義：解決NC4安裝后激光采樣機(jī)床軸與循環(huán)測(cè)量編程的坐標(biāo)統(tǒng)一問題；

3)變量定義：使NC4的變量參數(shù)符合客戶實(shí)際使用狀況；

4)循環(huán)子程序編程：解決自動(dòng)測(cè)量問題；

5)刀具自動(dòng)測(cè)量子程序和操作步驟：保證正確使用NC4；

6)刀具磨損檢測(cè)過程控制：保證刀具磨損得到有效控制。

通過以上六步實(shí)現(xiàn)FMS 1600柔性制造系統(tǒng)的刀具磨損自動(dòng)檢測(cè)和監(jiān)控功能。

2 在線刀具壽命實(shí)時(shí)跟蹤技術(shù)研究

刀具使用壽命可以由一把新刀用到報(bào)廢之前的總切削時(shí)間來表示，其中包含多次重磨（重磨次數(shù)以n表示）時(shí)間。同時(shí)，刀具使用壽命等于刀具耐用度與重磨次數(shù)（n+1）的乘積，刀具耐用度是衡量刀具切削性能好壞的重要標(biāo)志。刀具磨損到一定限度就不能再繼續(xù)使用，這個(gè)磨損限度稱為磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO統(tǒng)一規(guī)定以后帶面上測(cè)定的磨損帶寬度VB作為刀具磨損的標(biāo)準(zhǔn)。在生產(chǎn)實(shí)際中，為更方便、快速、準(zhǔn)確地判斷刀具的磨損情況，一般是以刀具耐用度來間接地反映刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)[2,5,6]。

昆機(jī)研發(fā)的FMS系統(tǒng)，其加工系統(tǒng)的工藝路線是串并聯(lián)運(yùn)行方式，隨著工藝路線的變化，所使用的刀具也不同，為了節(jié)約刀具投資成本，F(xiàn)MS的刀具是流動(dòng)的。由于加工工藝不同，在每次切削加工過程中各刀具的狀態(tài)也不斷地發(fā)生變化，這將造成每一把刀具的額定壽命亦不同。監(jiān)控和統(tǒng)計(jì)加工中心上每把刀的使用壽命，提示刀具管理系統(tǒng)判斷現(xiàn)有刀具是否有足夠的壽命來完成該零件的加工。如果刀具壽命不夠，加工前提醒主控站更換刀具，以保證加工工件的質(zhì)量和系統(tǒng)正常運(yùn)行。

分析在線刀具壽命實(shí)時(shí)跟蹤技術(shù)，其技術(shù)難點(diǎn)如下：

1)影響刀具壽命主要因素分析：根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果得出刀具壽命跟蹤的方法及對(duì)象。

2)刀具壽命監(jiān)控技術(shù)：研究監(jiān)控對(duì)象和監(jiān)控方法，為實(shí)現(xiàn)刀具壽命管理建立基礎(chǔ)。

3)刀具壽命跟蹤管理技術(shù)：建立刀具壽命檔案，跟蹤和統(tǒng)計(jì)刀具剩余壽命，保證刀具充分滿足加工條件。

2.1 影響刀具壽命的主要因素分析

影響刀具壽命因素眾多，根據(jù)切削實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析，其主要因素有切削條件（切削速度和切削厚度），刀具材料和工件的材質(zhì)[7,8]。由切削原理可知，刀具磨損是一個(gè)漸變的過程，它遵循一定的時(shí)間關(guān)系，磨損過程可分為3個(gè)階段，即初期磨損、正常磨損和劇烈磨損等，如圖2所示。

圖2 刀具磨損過程

在正常磨損階段，刀具后刀面磨損帶平均磨損量VB與切削時(shí)間t成正比，如圖3所示。

圖3 正常磨損階段VB與t的關(guān)系

通常采用固定其它切削條件，而改變切削速度Vc進(jìn)行刀具磨損試驗(yàn)，由此可得到很多條刀具磨損曲線，從中找出切削速度Vc與刀具使用壽命T的關(guān)系[7]，即泰勒（F.W.Taylor）公式（1）。

其中：

Vc為刀具切削速度；

A為當(dāng)T=1s（或1min）時(shí)直線在縱坐標(biāo)上的截距；

m為切削速度對(duì)刀具壽命的影響程度；

T為刀具使用壽命。

為了提高實(shí)驗(yàn)效率，本文采用快速實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行磨損試驗(yàn)?？焖賹?shí)驗(yàn)的原理為，利用刀具磨損曲線正常磨損段中“刀具后刀面磨損平均磨損量VB與切削時(shí)間t成正比”這一關(guān)系，即VB=VB0+kt，并且不同切削速度Vc的磨損曲線在正常磨損段的延長(zhǎng)線都交于縱坐標(biāo)上的同一點(diǎn)VB0，本文定義刃磨后磨損量為VB0(A)。

在正常磨損階段，刀具磨損帶平均磨損量與切削時(shí)間成正比，即VB=VB1(B)+kt。在A-D曲線上，改變被加工材料后依然可以直觀的得到VBT磨損量，在曲線C-D段依然需要考慮刀具磨損問題。VB0可以通過初始標(biāo)定軟件或儀器，如刀具的標(biāo)定循環(huán)或?qū)Φ秲x等設(shè)備確定。本文選定使用NC4的標(biāo)定循環(huán)來初始化VB0。

2.2 刀具壽命監(jiān)控技術(shù)分析

直接檢測(cè)法是刀具磨損通常采用的檢測(cè)方法，往往直接檢測(cè)刀具刃面，可以使用人工辨別，也可以自動(dòng)辨別。鑒于FMS 1600柔性制造系統(tǒng)已經(jīng)為加工單元配備了雷尼紹NC4非接觸式刀具測(cè)量系統(tǒng)，因此使用NC4的標(biāo)定循環(huán)來初始化VB0，使用NC4的標(biāo)定循環(huán)可以在一定轉(zhuǎn)速下測(cè)得刀刃的VB0以及刀長(zhǎng)、刀徑等。刀具每次加工循環(huán)使用后，通過NC4循環(huán)測(cè)量一次，以此得出本次刀具刀徑及刀刃的量化指標(biāo)，即VBT。在曲線B點(diǎn)以后確定斜率k，確定方法為：細(xì)分時(shí)間上磨損量的變化，對(duì)默認(rèn)磨損曲線做k值的修正，這樣就有了一個(gè)更為貼近事實(shí)的變化曲線。當(dāng)更換材料加工一段時(shí)間后，對(duì)k值進(jìn)行修正，當(dāng)最后一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的VBt≥VBmax時(shí)，定義為N=N+1(N=0)。當(dāng)?shù)玫絍B0、VBT、t、k和N后，測(cè)量循環(huán)程序便可以使用。

每把刀的使用情況可通過數(shù)控系統(tǒng)刀具壽命管理功能進(jìn)行記錄和計(jì)算，在加工的時(shí)候用戶可以依據(jù)磨損量確定最終壽命和使用一個(gè)更為確切的刀具補(bǔ)償值，每次加工循環(huán)開始和完成后，使用NC4做一次刀具標(biāo)定。NC4的測(cè)量循環(huán)提供了許多刀具測(cè)量循環(huán)子程序，減少了了人工對(duì)刀儀的測(cè)量誤差，以及刀具磨損檢測(cè)閥值設(shè)定，檢驗(yàn)的刀具VBT值存儲(chǔ)在用戶R變量中。

2.3 刀具壽命跟蹤管理技術(shù)分析

FMS 1600柔性制造系統(tǒng)使用的是SIEMENS 840D數(shù)控系統(tǒng)，由于技術(shù)需求該系統(tǒng)選配了刀具壽命管理功能，其對(duì)刀具的監(jiān)控功能主要是通過工件計(jì)數(shù)、刀具壽命和刀具磨損的監(jiān)控來實(shí)現(xiàn)[9,10]。

1）刀具壽命監(jiān)控技術(shù)

以840D刀具監(jiān)控原理和實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的步驟闡述本文刀具壽命監(jiān)控技術(shù)，840D系統(tǒng)為工件計(jì)數(shù)監(jiān)控、刀刃監(jiān)控、磨損監(jiān)控提供了具體地實(shí)施監(jiān)控的變量。

工件計(jì)數(shù)：系統(tǒng)工件計(jì)數(shù)自動(dòng)記錄加工期間所有使用刀具的刀刃參數(shù)，計(jì)數(shù)器變化一次，所有刀刃的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)就自動(dòng)更新一次，實(shí)現(xiàn)工件技術(shù)功能。刀具壽命：只監(jiān)控當(dāng)前使用的刀刃，一旦路徑軸移動(dòng)，刀具壽命監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)就被更新。磨損判斷：在使用計(jì)時(shí)器和工件計(jì)數(shù)的情況下監(jiān)控刀具磨損，具體操作時(shí)需首先設(shè)置機(jī)床數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)磨損監(jiān)控參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

系統(tǒng)還提供了隨時(shí)改變刀具監(jiān)控類型的系統(tǒng)變量MD $TC_TP9，刀具監(jiān)控功能的觸發(fā)靠設(shè)置系統(tǒng)變量實(shí)現(xiàn)如下所述。

$TC_TP9(=監(jiān)控類型):

S $TC_TP9=0- ->不監(jiān)控

S $TC_TP9=1- ->按時(shí)間-監(jiān)控刀具

S $TC_TP9=2- ->按工件計(jì)數(shù)-監(jiān)控刀具

S $TC_TP9=4- ->按刀刃-監(jiān)控刀具

S $TC_TP9=8- ->附加偏置

上述各觸發(fā)變量可單獨(dú)觸發(fā)，而且可同時(shí)觸發(fā)幾個(gè)監(jiān)控變量。當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)警限制時(shí)，刀具會(huì)被設(shè)為“警告限制到達(dá)”（通過系統(tǒng)變量SLTD_SUSPENDED($TC_TP8[i]=4)），在刀具監(jiān)控表的狀態(tài)附近會(huì)出現(xiàn)“V”。

刀具監(jiān)控報(bào)警：當(dāng)?shù)毒呤褂玫竭_(dá)預(yù)警限制或監(jiān)控界限時(shí)，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生6010,6011,6012,6013報(bào)警信息輸出，通過報(bào)警信息得知刀具已到達(dá)使用壽命。

通過840D系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)為工件計(jì)數(shù)監(jiān)控、刀刃監(jiān)控、磨損監(jiān)控等多種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控功能，為柔性制造系統(tǒng)刀具的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了很好的手段。

表1 刀具壽命管理表

2）刀具跟蹤管理實(shí)現(xiàn)

刀具壽命管理表可直接由840D系統(tǒng)提供，也可通過主控站W(wǎng)inCC建立刀具壽命監(jiān)控表，刀具壽命監(jiān)控表的內(nèi)容包括工序號(hào)、刀具號(hào)、使用壽命、報(bào)警壽命，如表1所示。

同時(shí)，F(xiàn)MS 1600柔性制造系統(tǒng)具有MCIS信息管理系統(tǒng)，通過以太網(wǎng)，可以把柔性線上所有的刀具監(jiān)控信息傳送到MCIS管理中心的刀具管理（TDI）庫監(jiān)控，無論刀具是固定在一臺(tái)設(shè)備上使用，還是在FMS系統(tǒng)加工中心單元流動(dòng)使用（前提是刀具安裝了電子識(shí)別標(biāo)簽），刀具信息和使用壽命將被TDI自動(dòng)地實(shí)時(shí)監(jiān)控，為FMS 1600柔性制造系統(tǒng)的刀具資源滿足加工需求保駕護(hù)航。

3 結(jié)束語

鑒于刀具磨損在線檢測(cè)和刀具壽命跟蹤技術(shù)對(duì)柔性制造系統(tǒng)的重要性，本文結(jié)合企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，通過分析刀具磨損在線檢測(cè)原理，形成了適合于FMS 1600柔性制造系統(tǒng)刀具磨損檢測(cè)的方案和具體實(shí)施辦法，發(fā)現(xiàn)切削速度和切削厚度是影響刀具壽命的主要因素，提出了使用雷尼紹NC4刀具磨損檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行刀具壽命監(jiān)控的措施，在此基礎(chǔ)上，通過工件計(jì)數(shù)、刀具壽命和刀具磨損的監(jiān)控實(shí)現(xiàn)了刀具壽命跟蹤管理。實(shí)際應(yīng)用證明，本文提出的刀具磨損在線檢測(cè)方案和刀具壽命跟蹤管理技術(shù)準(zhǔn)確且控制效率高，可以有效提升FMS工件加工合格率和加工精度。

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