CN107741732A - 一种基于电流法的机床刀具监控方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电流法的机床刀具监控方法与系统。所述方法包括获取主轴电机的工作电流值并将其与预设的电流阈值进行比较，从而得到刀具的状态。所述系统包括主轴电机、伺服驱动器以及用于获取主轴电机的工作电流值，然后将主轴电机的工作电流值与预设的电流阈值进行比较，从而得到刀具的状态的数控系统。本发明通过检测主轴电机的工作电流值，并与预设的电流阈值进行比较，得到刀具的状态，结果准确，对机床刀具进行实时监测，随时掌握刀具的磨损情况，实现智能刀具监控，保证产品精度和质量。本发明广泛应用于机床刀具监控技术领域。

Description

一种基于电流法的机床刀具监控方法与系统

技术领域

本发明涉及机床监控技术领域，尤其涉及一种基于电流法的机床刀具监控方法与系统。

背景技术

刀具是机床的核心部件，刀具的健康情况将影响机床的工作性能，直接影响机床加工产品的质量。因此，一旦刀具磨损到一定程度，或者出现崩刀、断掉等情况，就要更换刀具。由于在生产环境下，刀具不易拆卸，因此，传统的数控机床加工，对刀具的磨损和损坏程度的检查，是通过对加工出来的零件的尺寸和表面质量检查实现的，在人工操作的情况下，操作人员在上下料时进行工件的尺寸检查和表面质量检查，这就要求操作人员必须坚守在机床旁边。但在制造业中大力推进工业4.0的大环境下，数控机床的上下料操作已经用机器人代替人，操作人员只负责巡检，并不接触机床加工出来的产品，因此对刀具的磨损和损坏程度的传统检查方法失去意义。如果刀具磨损或损坏后不能及时发现，将会造成产品质量不合格，严重的会引起撞刀损坏更多的刀具，甚至损坏机床。如果停车检查频次太高，增加了工作量，同时也会降低生产效率。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的第一目的在于提供一种基于电流法的机床刀具监控方法，第二目的在于提供一种基于电流法的机床刀具监控系统。

本发明所采取的第一技术方案是：

一种基于电流法的机床刀具监控方法，包括以下步骤：

数控系统获取主轴电机的工作电流值；

数控系统将主轴电机的工作电流值与预设的电流阈值进行比较，从而得到刀具的状态。

进一步地，所述电流阈值包括第一阈值、第二阈值和第三阈值，所述第三阈值大于第二阈值，所述第二阈值大于第一阈值；

所述数控系统将主轴电机的工作电流值与预设的电流阈值进行比较，从而得到刀具的状态这一步骤具体包括：

判断主轴电机的工作电流值是否大于或等于第三阈值，若是，则判定刀具处于完全磨损状态，反之，则执行下一步骤；

判断主轴电机的工作电流值是否大于第二阈值，若是，则判定刀具处于部分磨损状态，反之，则执行下一步骤；

判断主轴电机的工作电流值是否大于第一阈值，若是，则判定刀具处于正常状态，反之，则判定刀具处于崩断状态。

进一步地，在判定刀具处于部分磨损状态后，还设有计算刀具的磨损程度这一步骤。

进一步地，所述计算刀具的磨损程度这一步骤所用的计算公式为：

刀具磨损百分比＝100％*(主轴电机的工作电流值-第二阈值)/(第三阈值-第二阈值)。

进一步地，所述数控系统将主轴电机的工作电流值与预设的电流阈值进行比较，从而得到刀具的状态这一步骤之后，还设有将刀具的状态发送至远程监控中心的步骤，所述将刀具的状态发送至远程监控中心的步骤具体包括：

数控系统根据刀具的状态，生成数据报文；

数控系统将数据报文发送至远程监控中心。

进一步地，所述数控系统根据刀具的状态，生成数据报文这一步骤，具体包括：

数据系统对刀具的状态进行加密处理后，得到加密数据；

对加密数据进行封装后，得到数据报文。

进一步地，所述数据系统对刀具的状态进行加密处理这一步骤中所使用的加密算法为TEA算法。

进一步地，所述数据系统对刀具的状态进行加密处理这一步骤具体为：

将刀具的状态对应的二进制数据作为明文；

判断明文的位数是否8的倍数，若是，则使用TEA算法对明文进行加密；反之，则执行下一步骤；

计算明文最后两位数的异或运算结果，若运算结果为1，则在明文后用0补足得到补足明文令补足明文的位数为8的倍数；若运算结果为0，则在明文后用1补足得到补足明文，令补足明文的位数为8的倍数。

本发明所采取的第二技术方案是：

一种基于电流法的机床刀具监控系统，包括主轴电机、伺服驱动器以及用于

获取主轴电机的工作电流值，然后将主轴电机的工作电流值与预设的电流阈值进行比较，从而得到刀具的状态的数控系统；所述主轴电机通过伺服驱动器与数控系统连接。

进一步地，所述伺服驱动器通过伺服总线与数控系统连接。

本发明的第一有益效果是：通过本方法，可以通过检测主轴电机的工作电流值，并与预设的电流阈值进行比较，得到刀具的状态，结果准确，避免了通过检查机床加工产品从而间接推测刀具磨损情况的不可靠性，以及避免了停车拆卸刀具进行检查的麻烦，解决自动化生产线上机床刀具磨损问题，实现智能刀具监控，保证产品精度和质量，并且可以有效防止刀具碰撞造成的刀具损害。

进一步，通过判断刀具部分磨损、完全磨损或者崩断的步骤，以及计算刀具磨损程度的步骤，使得对刀具的磨损分析更精确，操作人员可以获得更详细的刀具信息，从而及时调整生产。通过本方法可以实现对机床的远程监控，远程监控中心和机床所在生产基地可以分地设置，使得操作人员无需在机床旁边也能够对机床刀具进行实时监测，随时掌握刀具的磨损情况，控制机床生产质量，降低生产成本。使用互联网作为数控系统和远程监控中心的通信媒介，远程监控中心所在地与数控系统所在地的距离可以任意远，只要有互联网覆盖便可实现对机床刀具的远程监控。通过对报文加密的步骤，保证对机床的远程监控的信息安全。

本发明的第二有益效果是：通过本系统，可以通过检测主轴电机的工作电流值，并与预设的电流阈值进行比较，得到刀具的状态，结果准确，避免了通过检查机床加工产品从而间接推测刀具磨损情况的不可靠性，以及避免了停车拆卸刀具进行检查的麻烦，解决自动化生产线上机床刀具磨损问题，实现智能刀具监控，保证产品精度和质量，并且可以有效防止刀具碰撞造成的刀具损害。

附图说明

图1为本发明机床刀具监控方法的流程图；

图2为本发明机床刀具监控方法机床刀具的监控原理图；

图3为本发明机床刀具监控方法中判断刀具状态的流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的实施方法以及解决的技术问题，下面结合附图和实施例作进一步说明。

实施例1

本发明公开的一种基于电流法的机床刀具监控方法，如图1所示，包括以下步骤：

数控系统获取主轴电机的工作电流值；

数控系统将主轴电机的工作电流值与预设的电流阈值进行比较，从而得到刀具的状态。

其中，主轴电机的工作电流值是指主轴电机的工作电流大小，刀具的状态，包括刀具正常、崩断、完全磨损或者部分磨损等状态，以及刀具处于部分磨损状态时的磨损程度。上述方法涉及的机床监控原理如图2所示，其中，主轴电机是用于驱动刀具运动的电机，主轴电机由伺服驱动器控制和驱动，伺服驱动器通过总线与数控系统相连接，数控系统是对机床进行自动控制的控制器系统，数控系统可从伺服驱动器中读取电机工作电流大小，并进行相关的处理，从而判定刀具的状态，并可以发送命令给伺服驱动器，从而实现对主轴电机的控制。

通过将主轴电机的工作电流值与预设的电流阈值进行比较从而得到刀具的状态的原理是，在机床的切削加工过程中主轴电机的实时工作电流值与刀具的切削力相关，而切削力的大小与刀具当前的切削状态相关，即若刀具发生磨损或者崩断，其切削状态就会改变，影响到其切削力大小，从而反映在主轴电机的工作电流值上，因此数控系统通过伺服驱动器读取主轴电机的工作电流值，并将其与预设的电流阈值进行比较，便可以得到刀具的状态。数控系统实时监测刀具的状态并做相应处理，实现对刀具的智能化管理，例如，数控系统监测到刀具处于部分磨损状态时便计算其磨损程度，并将刀具处于部分磨损状态及其磨损程度等信息通知机床操作人员；数控系统监测到刀具处于完全磨损状态时，将刀具的状态信息通知机床操作人员以及时更换刀具；数控系统监测到刀具处于崩断状态时将刀具停下来，然后通知机床操作人员。

进一步作为优选的实施方式，所述电流阈值包括第一阈值、第二阈值和第三阈值，所述第三阈值大于第二阈值，所述第二阈值大于第一阈值。

第一阈值、第二阈值和第三阈值是在应用本发明方法前已获得的参考值，是用于判断主轴电机工作电流大小是否处于正常状态的标准。

进一步作为优选的实施方式，如图3所示，数控系统将主轴电机的工作电流值与预设的电流阈值进行比较，从而得到刀具的状态这一步骤具体包括：

判断主轴电机的工作电流值是否大于或等于第三阈值，若判断结果为是，则判定刀具处于完全磨损状态，否则进行下一步骤；

判断主轴电机的工作电流值是否大于第二阈值，若判断结果为是，则判定刀具处于部分磨损状态，否则进行下一步骤；

判断主轴电机的工作电流值是否大于第一阈值，若判断结果为是，则判定刀具处于正常状态，否则判定刀具处于崩断状态。

上述这种优选的实施方式的工作原理为：主轴电机与刀具的磨损状态相关，刀具磨损越严重，主轴电机的工作电流越大。因此，这种优选的实施方式中，第三阈值的意义为刀具完全磨损不能继续使用时所对应的主轴电机工作电流，第二阈值的意义为刀具完全未被磨损时所对应的主轴电机最大正常工作电流。当主轴电机的工作电流达到甚至大于第三阈值时，显然说明刀具已被完全磨损，不能继续使用，数控系统判断这种情况出现后便提示机床操作人员更换刀具。当主轴电机的工作电流在第三阈值和第二阈值之间时，说明刀具只是部分磨损，还可以正常使用。本发明方法中的“完全磨损”，并不限定为刀具整体在物理上被磨损至灭失，刀具的工作部分被完全磨损或者刀具的工作部分被磨损至实际生产时设定的界线等情况，也适用本发明方法中的“完全磨损”。在实际生产中，刀具进入钝化阶段后，磨损加快，加工不稳定，所加工出来的产品已经接近不合格水平，也适用本发明方法中的“完全磨损”。

主轴电机的工作电流值小于等于第二阈值时，刀具处于正常状态，但在刀具断掉或者崩刀的情况下，刀具不能切上工件表面，刀具对工件几乎没有切削力，此时主轴电机几乎是空转状态，工作电流很小，因此如果判断主轴电机的工作电流值小于等于第一阈值，而数控系统根据传感器或上料系统检测到待加工材料已就绪，即主轴电机并非正常状态的空转，那么就判定刀具断掉或者崩刀。通常第一阈值远小于第二阈值。通过这一判断步骤，机床数控系统可以做出相应调整，比如停机或者更换刀具等，避免此工序中由于刀具崩断而没有正常切削工件，造成后续工序切削量太大，损坏后续工序的刀具或机床。

进一步作为优选的实施方式，在判定刀具已部分磨损后，还设有计算刀具的磨损程度这一步骤，并且计算得到的刀具的磨损程度，也是作为刀具的磨损状态。由于本方法还设有计算刀具的磨损程度的步骤，本方法不仅能够提示“刀具必须更换”或者“刀具不必更换”两种状态，还能够提示当前刀具的磨损程度，使得机床操作人员能够作出适当准备。

进一步作为优选的实施方式，所述计算刀具的磨损程度这一步骤所用的公式为：

刀具磨损百分比＝100％*(主轴电机的工作电流值-第二阈值)/(第三阈值-第二阈值)。

上述这种优选的实施方式的工作原理为：刀具的磨损程度与主轴电机的工作电流值至少在第二阈值和第三阈值区间内呈线性函数关系，且主轴电机的工作电流为第二阈值对应刀具完好无损，主轴电机的工作电流为第三阈值对应刀具已完全磨损。根据上述数学关系，得出用磨损百分比表示的刀具的磨损程度公式，即其中p为刀具磨损百分比，i为主轴电机的工作电流值，t₂为第二阈值，t₃为第三阈值。机床数控系统通过此公式计算出用刀具磨损百分比表示的刀具磨损程度，然后作为刀具的磨损状态发送到远程监控中心，远程监控中心的自动化控制系统或者操作人员实时了解刀具的磨损程度，可以提前为更换刀具做好准备，也可以根据刀具的磨损程度分析原材料和产品质量等。

进一步作为优选的实施方式，在数控系统将主轴电机的工作电流值与预设的电流阈值进行比较，从而得到刀具的状态这一步骤之后，还设有将刀具的状态发送至远程监控中心的步骤，其具体包括：

数控系统根据刀具的状态，生成数据报文；

数控系统将数据报文发送至远程监控中心。

由于生产模式的进步，越来越多的生产单位采用生产、管理分离的模式，管理基地设在市中心，生产基地设在郊区，甚至管理基地和生产基地分设在不同的城市，这样可以降低生产成本。因此，为了使位处管理基地的工作人员能够了解到位处生产基地的机床的工作状况，特别是机床刀具的状态，数控系统将得到的刀具的状态以数据报文的形式发送至管理基地的远程控制中心。通过这一方法，可以在数控系统对机床刀具智能管理的基础上，让身处异地的工作人员及时了解刀具的状态，从而合理安排生产计划。

应用本方法，还可以将一个远程监控中心与分散于各地的生产基地的各个机床数控系统连接起来，工作人员只需集中在一个远程监控中心，便可以了解到各个生产基地的机床生产情况，特别是机床刀具的状态，提高生产效率，降低生产成本。

进一步作为优选的实施方式，所述数控系统与远程监控中心还可以通过互联网连接，所述数据报文的收发还可以通过互联网进行，即数据系统和远程监控中心分别设有与互联网连接的端口，使用互联网通信协议接入互联网。数控系统要向远程监控中心发送数据报文，首先将数据报文上传到互联网，远程监控中心从互联网下载数据报文，实现数据报文的收发。数控系统与远程监控中心之间的通信可以基于各种通信协议进行，优选地采用互联网进行，这是由于互联网的广域性以及普遍性，使得数控系统与远程监控中心的距离可以任意远，只要互联网能够覆盖，远程监控中心便可以对机床进行监控，真正实现了远程监控。同时互联网是基础设施，无需另外铺设网络便可使用，这可以大大降低生产成本。

进一步作为优选的实施方式，所述数控系统根据刀具的状态，生成数据报文这一步骤，具体包括：

数据系统对刀具的状态进行加密处理后，得到加密数据；

对加密数据进行封装后，得到数据报文。

数控系统向远程监控中心发送的数据报文含有机床刀具的状态数据，因此有可能包括了机床生产工艺信息，这属于机床生产的商业秘密，可能是不法分子窃取的对象，特别是数据报文通过互联网收发时，更容易被黑客窃听。使用加密算法对数控系统与远程监控中心之间的数据报文加密后，便可以防止黑客窃听，保证生产者的生产技术不泄露。

进一步作为优选的实施方式，所述数据系统对刀具的状态进行加密处理这一步骤中所使用的加密算法为TEA算法。

进一步作为优选的实施方式，所述数据系统对刀具的状态进行加密处理这一步骤具体为：

将刀具的状态对应的二进制数据作为明文；

判断明文的位数是否8的倍数，若是，则使用TEA算法对明文进行加密；反之，则执行下一步骤；

计算明文最后两位数的异或运算结果，若运算结果为1，则在明文后用0补足得到补足明文令补足明文的位数为8的倍数；若运算结果为0，则在明文后用1补足得到补足明文，令补足明文的位数为8的倍数。

上述方法所用的TEA算法，即微型加密算法(Tiny Encryption Algorithm)，是一种分组加密算法，它的实现非常简单，通常只需要很精短的几行代码，便能实现快速加密、解密。由于机床上的数控系统的计算能力普遍不强，无法适应复杂的加密算法，而使用TEA算法可以快速地将刀具的状态进行加密。本实施例中应用TEA算法时，要求明文的位数为8的倍数，即刀具的状态对应的二进制数据的位数需为8的倍数。如果明文的位数本身为8的倍数，使用TEA算法直接对明文进行加密；而如果明文的位数本身不是8的倍数，则通过补0或者补1的方法将其补足得到补足明文，具体方法是，对明文的最后两位做异或运算，如果结果为1，则在明文后用0补足得到补足明文，如果结果为0，则在明文后用1补足得到补足明文，使得补足明文的位数为8的倍数。为了节约计算资源，补上的0的个数不超过7个，使得到的补足明文的位数刚好为8的倍数的即可。然后，使用TEA算法对补足明文进行加密。通过上述方法得到的密文，即可打包封装成数据报文，然后发送给远程监控中心。将密文打包封装成数据报文的过程中，还可以加入其它附加信息，例如主轴电机工作电流值的获取时间、明文位数等。远程监控中心接到含有密文的数据报文后，可以用相应的TEA解密算法对密文进行解密，得到相应的刀具的状态明文。

通过上述处理步骤，可以快速地将TEA算法用于对刀具的状态对应的数据进行加密。通过计算刀具的状态对应的二进制数据最后两位异或结果从而补0或补1除了简单快速地使刀具的状态对应的二进制数据适用于TEA算法外，还起着校验的作用，以防补足后的二进制数据出错。

实施例2

本发明还公开了一种基于电流法的机床刀具监控系统，如图2所示，该系统包括主轴电机、伺服驱动器以及用于获取主轴电机的工作电流值，然后将主轴电机的工作电流值与预设的电流阈值进行比较，从而得到刀具的状态的数控系统，所述主轴电机通过伺服驱动器与数控系统连接。

进一步作为优选的实施方式，所述伺服驱动器通过伺服总线与数控系统连接。

这个系统可以实现本发明的一种基于电流法的机床刀具监控方法，包括实施例1的方法。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但对本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种基于电流法的机床刀具监控方法，其特征在于，包括以下步骤：

数控系统获取主轴电机的工作电流值；

数控系统将主轴电机的工作电流值与预设的电流阈值进行比较，从而得到刀具的状态。

2.根据权利要求1所述一种基于电流法的机床刀具监控方法，其特征在于，

所述电流阈值包括第一阈值、第二阈值和第三阈值，所述第三阈值大于第二阈值，所述第二阈值大于第一阈值；

所述数控系统将主轴电机的工作电流值与预设的电流阈值进行比较，从而得到刀具的状态这一步骤具体包括：

判断主轴电机的工作电流值是否大于或等于第三阈值，若是，则判定刀具处于完全磨损状态，反之，则执行下一步骤；

判断主轴电机的工作电流值是否大于第二阈值，若是，则判定刀具处于部分磨损状态，反之，则执行下一步骤；

判断主轴电机的工作电流值是否大于第一阈值，若是，则判定刀具处于正常状态，反之，则判定刀具处于崩断状态。

3.根据权利要求2所述一种基于电流法的机床刀具监控方法，其特征在于，在判定刀具处于部分磨损状态后，还设有计算刀具的磨损程度这一步骤。

4.根据权利要求3所述一种基于电流法的机床刀具监控方法，其特征在于，所述计算刀具的磨损程度这一步骤所用的计算公式为：

刀具磨损百分比＝100％*(主轴电机的工作电流值-第二阈值)/(第三阈值-第二阈值)。

5.根据权利要求1-4任一项所述一种基于电流法的机床刀具监控方法，其特征在于，所述数控系统将主轴电机的工作电流值与预设的电流阈值进行比较，从而得到刀具的状态这一步骤之后，还设有将刀具的状态发送至远程监控中心的步骤，所述将刀具的状态发送至远程监控中心的步骤具体包括：

数控系统根据刀具的状态，生成数据报文；

数控系统将数据报文发送至远程监控中心。

6.根据权利要求5所述一种基于电流法的机床刀具监控方法，其特征在于，所述数控系统根据刀具的状态，生成数据报文这一步骤，具体包括：

数据系统对刀具的状态进行加密处理后，得到加密数据；

对加密数据进行封装后，得到数据报文。

7.根据权利要求6所述一种基于电流法的机床刀具监控方法，其特征在于，所述数据系统对刀具的状态进行加密处理这一步骤中所使用的加密算法为TEA算法。

8.根据权利要求7所述一种基于电流法的机床刀具监控方法，其特征在于，所述数据系统对刀具的状态进行加密处理这一步骤具体为：

将刀具的状态对应的二进制数据作为明文；

判断明文的位数是否8的倍数，若是，则使用TEA算法对明文进行加密；反之，则执行下一步骤；

计算明文最后两位数的异或运算结果，若运算结果为1，则在明文后用0补足得到补足明文，令补足明文的位数为8的倍数；若运算结果为0，则在明文后用1补足得到补足明文，令补足明文的位数为8的倍数。

9.一种基于电流法的机床刀具监控系统，其特征在于，包括主轴电机、伺服驱动器以及用于获取主轴电机的工作电流值，然后将主轴电机的工作电流值与预设的电流阈值进行比较，从而得到刀具的状态的数控系统；所述主轴电机通过伺服驱动器与数控系统连接。

10.根据权利要求9所述一种基于电流法的机床刀具监控系统，其特征在于，所述伺服驱动器通过伺服总线与数控系统连接。