CN105619178B - 一种数控机床断刀实时检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数控机床断刀实时检测方法，包括下列步骤：1)数控系统读取刀具工艺数据库中保存的和值；2)设置计时器j＝1；3)基于主轴电机平均电流判断是否存在断刀，如果是，则中止加工程序，如果否，则判断加工程序是否结束，如果是，则停止加工，如果否则继续加工。本发明通过加工过程中数控内部的主轴时域电流进行判断，降低应用成本，可靠性更高。

Description

一种数控机床断刀实时检测方法

技术领域

本发明属于数控技术领域，更具体地，涉及一种数控机床断刀实时检测方法。

背景技术

数控加工过程中，切削力过大、刀具老化等原因可能会导致刀具断裂。如果不能及时检测刀具断裂的情况，会影响加工品质及加工效率。尤其是在大批量、多工序的生产过程中，一般采用大号刀具粗加工，再分别采用较小型号刀具进行半精加工和精加工，若未能及时检测大号刀具的断裂，将导致随后工序中小号刀具连续断裂，严重扰乱生产流程。

目前主要有两类刀具断裂检测方法。一类是非实时的检测方法，通过接触刀具刀尖、光束检测、计算机视觉的图像处理等方法判断刀具是否断裂。该方法应用在加工前或完成加工后，必须将刀具移动到指定检测位，无法判断加工过程中的刀具断裂情况，影响加工效率，具有较大的局限性。

另一类是实时的检测方法，通过加工过程中刀具断裂前后的关键特征进行判断检测。例如《一种感应式微电流断刀检测电路》通过传感器检测钻孔过程中产生感应电流的变化，同时PC机把当前位置与平均值进行实时对比，判断是否断刀；该方法适用于钻头加工的情况，不适用于一般的铣削加工工艺，另外其装置复杂，信号获取不方便，在实际的生产应用有一定的局限性。《一种加工成型设备的断刀监测方法》通过将主轴的空载转速与实时加工转速间的速度差与基准转速差值进行比较，判定是否断刀；该方法适合于转速开环控制的数控机床，加工过程中空载转速与实际转速会产生较大变化的情况，而对于采用转速闭环控制的数控机床，由于在额定转速加工工程中转速波动幅度非常小，采用该方法不太适用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于主轴电机电流的断刀实时检测方法，该方法集成在数控系统上，只通过加工过程中数控内部的主轴时域电流进行判断，降低应用成本；不添加任何传感器等辅助设备，不会受到传感器灵敏度降低或失效等辅助设备问题的影响，可靠性更高。主要适用于断刀前后主轴电机电流变化较大的数控加工过程，如切削量较大的粗加工过程或高硬度材料的精加工，能够根据主轴电机电流的变化特征，快速实时检测是否断刀，提高加工效率，具有较高的应用价值。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种数控机床断刀实时检测方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)数控系统读取刀具工艺数据库中保存的和值，其中为正常切削加工时所采集的主轴电机所有电流历史数据的平均值，为空载时采集的主轴电机所有电流历史数据的平均值；

2)设置计时器j＝1；

3)本步骤包括以下子步骤：

3.1)数控机床在进行切削加工时，编码器采集主轴电机电流数据，并且编码器每采集L个主轴电机电流数据，则将这L个主轴电机电流数据作为一个分析段，而且采用低通滤波器对分析段的主轴电机电流数据进行实时滤波，以将频率高于f的信号滤除，其中f＝k_f*f_c，其中f为滤波频率，k_f为滤波频率系数且k_f∈(0.1,0.4)，f_c为采样频率；

3.2)计算第j个分析段的主轴电机电流数据的电流平均值并存入数控系统的寄存器中，其中I_k为第j个分析段内的第k个主轴电机电流数据，k为正整数且k≤L；

3.3)设置j＝j+1；

3.4)判断j≥3是否成立，如果否，则返回步骤3.1)，如果是，则进入步骤3.5)；

3.5)计算第j个分析段的主轴电机电流数据的电流平均值并存入数控系统的寄存器中，其中I_m为第j个分析段内的第m个主轴电机电流数据，m为正整数且m≤L；

3.6)判断数控机床在第j个分析段、第j-1个分析段和第j-2个分析段内是否存在断刀：判断和是否同时满足下列条件①的三个式子或条件②的三个式子，如果是，则判断为断刀并进入步骤4)，如果否，则进入步骤5)；

其中k₁,k₂,k₃,k₄,k₅均为比值常系数；

4)数控系统发出指令，中止加工程序，发出断刀故障报警信号；

5)判断加工程序是否结束，如果是，则停止加工，如果否，则返回步骤3.1)。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)本发明通过加工过程中数控内部的主轴时域电流进行判断，降低应用成本，可靠性更高；

2)能够根据数控加工过程中主轴电机电流的变化特征，快速实时检测是否断刀，提高加工效率，具有较高的应用价值。

附图说明

图1是本发明一种基于主轴电机电流的断刀实时检测方法流程图；

图2(a)是本发明的主轴电机电流滤波前的三个分析段电流波形图；

图2(b)是本发明的主轴电机电流滤波后的三个分析段电流波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图1、图2(a)和图2(b)，一种数控机床断刀实时检测方法，包括下列步骤：

1)数控系统读取刀具工艺数据库中保存的和值，其中为正常切削加工时所采集的主轴电机所有电流历史数据的平均值，为空载时采集的主轴电机所有电流历史数据的平均值；

2)设置计时器j＝1；

3)本步骤包括以下子步骤：

3.1)数控机床在进行切削加工时，编码器采集主轴电机电流数据，并且编码器每采集L个主轴电机电流数据，则将这L个主轴电机电流数据作为一个分析段，而且采用低通滤波器对分析段的主轴电机电流数据进行实时滤波，以将频率高于f的信号滤除，其中f＝k_f*f_c，其中f为滤波频率，k_f为滤波频率系数且k_f∈(0.1,0.4)，f_c为采样频率；

3.2)计算第j个分析段的主轴电机电流数据的电流平均值并存入数控系统的寄存器中，其中I_k为第j个分析段内的第k个主轴电机电流数据，k为正整数且k≤L；

3.3)设置j＝j+1；

3.4)判断j≥3是否成立，如果否，则返回步骤3.1)，如果是，则进入步骤3.5)；

3.5)计算第j个分析段的主轴电机电流数据的电流平均值并存入数控系统的寄存器中，其中I_m为第j个分析段内的第m个主轴电机电流数据，m为正整数且m≤L；

3.6)判断数控机床在第j个分析段、第j-1个分析段和第j-2个分析段内是否存在断刀：判断和是否满足下列条件①(条件①中的三个式子同时满足)或条件②(条件②中的三个式子同时满足)，如果是，则判断为断刀并进入步骤4)，如果否，则进入步骤5)；

其中k₁,k₂,k₃,k₄,k₅均为比值常系数；

4)数控系统发出指令，中止加工程序，发出断刀故障报警信号；

5)判断加工程序是否结束，如果是，则停止加工，如果否，则返回步骤3.1)。

作为优选，步骤1)中数控系统识别加工程序中的M指令，读取刀具工艺数据库中对应的和值，加工程序中的M指令预先在数控系统中进行开发定义，本实施例中M指令格式为M40Q06，其中M40定义为开启断刀实时检测功能，Q06定义为读取工艺数据库第6条记录，具体值可由用户根据实际情况设定，读取的正常主轴电机电流平均值及空载主轴电机电流平均值保存到指定的寄存器中。本实施例中，刀具工艺数据库中

滤波频率f优选小于0.5f_c，高于主轴转速频率f_s，优先选择滤波频率系数k_f∈(0.1,0.4)，电流数据个数L可进行设定，优先采用L＝1000个。

步骤3.2中采用循环迭代算法计算第j个分析段的主轴电机电流数据的电流平均值方法如下：

①设置t＝1,I_m＝0，其中t为计数器，I_m为第j个分析段内的t个主轴电机电流的总电流，

②判断t≤L是否成立，若成立转入步骤③；若不成立转入步骤④；

③更新总电流值I_m和计数器t，I_m＝I_m+I_t，t＝t+1，其中I_t为第j个分析段内的第t个主轴电机电流数据；

④求出即为第j个分析段的主轴电机电流数据的电流平均值

当j＜3，即j＝1或2时，则先计算值，第一个分析段和第二个分析段的断刀情况再由j＝3得出第三个分析段主轴电机平均电流后一起判定。

上文中的条件①适用于加工过程中刀具疲劳断裂的情况，三个分析电流平均值有变小的趋势，条件②适用于加工过程中刀具冲击断裂的情况，三段电流平均值中有较大的冲击电流；系数k₁-k₅可根据不同主轴电机电流变化特性进行适当调整。

步骤4)中，数控系统发出故障报警时，同时会自动记录及保存断刀时刻的加工程序行号，并在数控系统显示屏上显示刀具断裂提示，便于工作人员确定断刀的程序位置。

本实施例步骤2)中主轴电机电流的采样频率f_c优选为1000Hz；主轴转速S优选为S＝6000r/min，主轴转动频率f_s优选为可以取滤波频率系数k_f＝0.1，则滤波频率f＝k_f*f_c＝100Hz。

参照图2(a)、图2(b)中主轴电机电流滤波前后三个分析段电流波形图，图2(a)为截取一段主轴电机电流，滤波前的电流值显示，图2(b)为滤除f＝100Hz以上信号之后对应的电流值显示，横轴为主轴电机电流数据点，纵轴为电流数据点对应的主轴电机的电流值，图2(a)、图2(b)中第三个分析段的电流数据点2001～3000对应一段电流数据个数L，将第j个分析段记为当前滤波段(此时j≥3)，图中第1～1000个数据点的形成的分析段和第1001～2000个数据点形成的分析段分别对应j-2和j-1段，则步骤3)当前滤波段前两段电流平均值分别为 结合步骤1)中的和步骤3)中和计算得知：k₁＝1.02，且k₂＝1.01，满足条件①，即三段电流平均值有变小的趋势，且接近于且约等于因此判断为主轴刀具断刀。

本发明所述方法能够在三个数据长度L的时间内判断断刀情况，在L＝1000的情况下，断刀后3秒内能够实现故障报警，达到快速实时检测的目标，具有较高的工程应用价值。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种数控机床断刀实时检测方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)数控系统识别加工程序中指令，开启断刀实时检测功能，并读取刀具工艺数据库中保存的和值，保存到指定寄存器中，其中为正常切削加工时所采集的主轴电机所有电流历史数据的平均值，为空载时采集的主轴电机所有电流历史数据的平均值；

2)数控开始切削加工时，设置计时器j＝1；

3)本步骤包括以下子步骤：

3.1)数控机床在进行切削加工时，编码器采集主轴电机电流数据，并且编码器每采集L个主轴电机电流数据，则将数控系统内部这L个主轴电机电流数据作为一个分析段，而且采用低通滤波器对分析段的主轴电机电流数据进行实时滤波，以将频率高于f的信号滤除，其中f＝k_f*f_c，其中f为滤波频率，k_f为滤波频率系数且k_f∈(0.1,0.4)，f_c为采样频率；

3.2)计算第j个分析段的主轴电机电流数据的电流平均值并存入数控系统的寄存器中，其中I_k为第j个分析段内的第k个主轴电机电流数据，k为正整数且k≤L；

3.3)设置j＝j+1；

3.4)判断j≥3是否成立，如果否，则返回步骤3.1)，如果是，则进入步骤3.5)；

3.5)计算第j个分析段的主轴电机电流数据的电流平均值并存入数控系统的寄存器中，其中I_m为第j个分析段内的第m个主轴电机电流数据，m为正整数且m≤L；

3.6)判断数控机床在第j个分析段、第j-1个分析段和第j-2个分析段内是否存在断刀：判断和是否同时满足下列条件①的三个式子或条件②的三个式子，如果是，则判断为断刀并进入步骤4)，如果否，则进入步骤5)；

其中k₁,k₂,k₃,k₄,k₅均为比值常系数；

4)数控系统发出指令，中止加工程序，发出断刀故障报警信号；

5)判断加工程序是否结束，如果是，则停止加工，如果否，则返回步骤3.1)。