CN111774933B - 机床刀具实时监测并自动换备刀方法以及机床刀具实时监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机床刀具实时监测系统，包括电流传感器、监测设备、信号转换模块；所述监测设备包括主控装置、操作与显示装置、通信模块；电流传感器与主控装置连接，主控装置通过信号转换模块与机床通信，主控装置通过通信模块与上位机通信；操作与显示装置连接主控装置；三个电流传感器采集机床主轴的三相电流信号并转化相应的电压信号后，发送至主控装置，主控装置一方面将监测得到的电压信号发送给上位机，另一方面主控装置使用机床刀具实时监测方法通过得到的电压信号判断刀具的状态，并在刀具断刀状态时向机床发送断刀信号。本发明还提供了一种机床刀具实时监测并自动换备刀方法，能有效延长刀具使用时间的同时保证生产产品的质量。

Description

机床刀具实时监测并自动换备刀方法以及机床刀具实时监测 系统

技术领域

本发明属于工业大数据技术领域，尤其是一种机床刀具实时监测并自动换备刀方法以及机床刀具实时监测系统。

背景技术

随着科学技术的不断进步和社会生产的不断发展，人们对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求，而机械加工过程的自动化是实现上述要求的有效途径。机床作为制造业工厂的生产母机，是重要的生产成本，机床使用的加工刀具，则是保证产品质量的消耗品，在实际生产过程中，若刀具出现老化或者断刀的磨损情况却未及时发现，继续进行加工，这不但会损毁加工毛坯，严重的甚至会导致机床的损坏；若根据经验在刀具还能继续使用时提前更换刀具，这会降低对刀具的利用程度，无形之中增加了刀具使用成本。在刀具不能继续使用前尽量使用并及时更换不能继续使用的刀具，能够降低刀具成本、延长机床使用寿命、节省原材料。这对制造企业降低制造成本，提高竞争力显得尤为重要。

目前对于刀具在使用过程中的监测与更换，尚未有自动化的方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种机床刀具实时监测并自动换备刀方法，还提供了一种机床刀具实时监测系统，能够检测到机床加工过程中的断刀状况，并自动更换新刀具，能够防止工件损坏，并提高了机加工的生产效率；也能够降低成本。本发明采用的技术方案是：

本发明实施例提出一种机床刀具实时监测系统，包括电流传感器、监测设备、信号转换模块；

所述监测设备包括主控装置、操作与显示装置、通信模块；

电流传感器与主控装置连接，主控装置通过信号转换模块与机床通信，主控装置通过通信模块与上位机通信；操作与显示装置连接主控装置；

三个电流传感器采集机床主轴的三相电流信号并转化相应的电压信号后，发送至主控装置，主控装置一方面将监测得到的电压信号发送给上位机，另一方面主控装置使用机床刀具实时监测方法通过得到的电压信号判断刀具的状态，并在刀具断刀状态时向机床发送断刀信号。

进一步地，监测设备还包括主控从属装置；

主控装置将监测得到的电压信号发送给主控从属装置，由主控从属装置使用机床刀具实时监测方法通过得到的电压信号判断刀具的状态，将刀具的状态反馈至主控装置，主控装置在刀具断刀状态时向机床发送断刀信号。

进一步地，机床刀具实时监测方法包括：

通过电流传感器实时采集机床主轴三相电流信号并转化相应的电压信号；

然后将电流传感器输出的电压信号经过RMS处理，之后通过窗口均值函数，取一定的窗口大小得到每一窗口对应的均值，之后，进一步通过中值滤波滤除噪声，平滑信号；

最终得到随刀具加工时的代表机床主轴控制电流的周期信号；通过比对该周期信号的峰峰值，判断刀具的状态，当发生刀具断刀状态，则向机床发送断刀信号。

更进一步地，该周期信号的峰峰值小于设定阈值时，即判断为刀具断刀状态。

本发明实施例还提出一种机床刀具实时监测并自动换备刀方法，包括：

通过电流传感器实时采集机床主轴三相电流信号并转化相应的电压信号；

然后将电流传感器输出的电压信号经过RMS处理，之后通过窗口均值函数，取一定的窗口大小得到每一窗口对应的均值，之后，进一步通过中值滤波滤除噪声，平滑信号；

最终得到随刀具加工时的代表机床主轴控制电流的周期信号；通过比对该周期信号的峰峰值，判断刀具的状态，当发生刀具断刀状态，则向机床发送断刀信号；

当机床收到监测设备提供的断刀信号时，机床停止加工程序，并跳转到换刀程序，通过事先存入机床内的刀库备刀判断程序判断使用哪把备用刀具，并在换刀结束后调取对刀宏程序，对刀具进行测量，确定刀具完整后继续进行正常加工，如对刀仪测得刀具长度与刀具事先存入刀库时测的长度不符，则说明刀具已经破损，机床报警并停止加工。

进一步地，该周期信号的峰峰值小于设定阈值时，即判断为刀具断刀状态。

本发明的优点在于：本发明提供的方法与传统方法相比，能达更高效的利用刀具加工，同时更能节省人力资源、刀具以及生产原材料，能有效延长刀具使用时间的同时保证生产产品的质量，从多个方面降低生产成本，能有效提高经济效益，提升工厂竞争力。

附图说明

图1为本发明实施例中的机床刀具实时监测系统组成示意图。

图2为本发明实施例中电流传感器的输出信号示意图。

图3为本发明实施例中断刀前的电流传感器输出信号RMS值。

图4为本发明实施例中断刀后的电流传感器输出信号RMS值。

图5为本发明实施例中代表机床主轴控制电流的周期信号示意图。

图6为本发明实施例中的刀库备刀判断程序示意图。

图7为本发明实施例中的测试NC代码示意图。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明提出的实施例中，如图1所示，一种机床刀具实时监测系统，包括电流传感器、监测设备、信号转换模块；

所述监测设备包括主控装置、操作与显示装置、通信模块，还可以包括为了提高处理速度而设置的主控从属装置；

电流传感器与主控装置连接，主控装置通过信号转换模块与机床通信，主控装置通过通信模块与上位机通信；操作与显示装置连接主控装置；

数控机床加工相同工件的过程中，刀具的移动轨迹呈有规律的循环往复运动，因此机床主轴的控制电流为周期信号，此控制电流可以通过霍尔电流传感器转化为电压信号，达到不改造机床而获取机床信号；

三个电流传感器采集机床主轴的三相电流信号并转化相应的电压信号后，发送至主控装置，主控装置一方面将监测得到的电压信号发送给上位机，作为数据的备份记录以及后期的其它处理的源数据，另一方面主控装置使用机床刀具实时监测方法通过得到的电压信号判断刀具的状态，并在刀具断刀状态时向机床发送断刀信号；

主控装置也可以将监测得到的电压信号发送给主控从属装置，由主控从属装置使用机床刀具实时监测方法通过得到的电压信号判断刀具的状态，将刀具的状态反馈至主控装置，主控装置在刀具断刀状态时向机床发送断刀信号；

操作与显示装置主要提供人机交互界面，达到便捷的人机交互控制效果；

由于机床内部PLC电压与监测设备电压不同，因此通过信号转换模块将监测设备与机床PLC相连；

在机床的FANUC数控系统中开通跳转选项，可在加工过程中跳转到其他程序，当机床收到监测设备提供的断刀信号时，机床停止加工程序，并跳转到换刀程序；

基于以上机床刀具实时监测系统，本实施例提出的一种机床刀具实时监测并自动换备刀方法，包括以下步骤：

通过电流传感器实时采集机床主轴三相电流信号并转化相应的电压信号；其中某一相的电流传感器的输出信号如图2所示；

机床主轴三相电流所对应的电流传感器输出信号如下：

I₁＝I₀sinθ (1)

其中，I₁、I₂、I₃为电流传感器输出信号向量，他们之间的关系为：I₁＝-(I₂+I₃),I₀为输出信号幅值，θ为转子旋转角度；

均方根值是一种将交流电等效成直流电的方法；基于此，得到：

正常铣削时的电流传感器输出信号RMS值如图3，刀具断裂后的电流传感器输出信号RMS值如图4，主轴工作在6000r/min的转速下，以1500mm/min的速度进给，对工件的切削深度为20丝。可见在当前这种小负载铣削情况下，断刀前后的电流RMS值差异并不明显，需要进行后续的特征提取过程。

在将电流传感器输出的电压信号经过RMS(取有效值)处理之后，通过窗口均值函数，取一定的窗口大小得到每一窗口对应的均值，这样可以有效获取机床主轴电流信息以及对噪声的滤除，之后，进一步通过中值滤波滤除噪声，平滑信号；

最终得到随刀具加工时的代表机床主轴控制电流的周期信号；如图5所示；

通过比对该周期信号的峰峰值，判断刀具的状态，当发生刀具断刀状态，则向机床发送断刀信号；当刀具出现断刀状态时，该周期信号的峰峰值会小于设定阈值，甚至完全消失，也就是断刀的刀具脱离了与工件接触，该周期信号对应段会出现类似于直线的信号；

当机床收到监测设备提供的断刀信号时，机床停止加工程序，并跳转到换刀程序，通过事先存入机床内的刀库备刀判断程序判断使用哪把备用刀具，并在换刀结束后调取对刀宏程序，对刀具进行测量，确定刀具完整后继续进行正常加工，如对刀仪测得刀具长度与刀具事先存入刀库时测的长度不符，则说明刀具已经破损，机床报警并停止加工。

在一个具体的实施例中，使用友佳vmp-30A立式加工中心在黄铜块上挖槽加工，刀具选用1mm直径的四刃直铣刀，每次切深20丝，转速6000转，在X轴上刀具每次切削轨迹相同，所以主轴加工所产生的负载周期相同；用霍尼韦尔的电流传感器采集主轴三相电流UVW相应电流信号，电流传感器的输出信号如图2所示；主控装置作为监测设备的控制中枢，使用以cortex-M4为内核的嵌入式处理器芯片作为主控芯片；在主控装置内，电流传感器输出的电压信号分成3个流向，其中一个是原始数据流可以不经过信号处理，直接通过UDP协议和网卡传输至控制上位机中，并由上位机全部保存起来，这些可以作为数据的备份记录以及后期的其他处理的源数据使用；另外两个流向则是可以并行的数据分析处理；由主控装置和/或主控从属装置使用机床刀具实时监测方法通过得到的电压信号判断刀具的状态；机床刀具实时监测方法通过主控装置和/或主控从属装置中配置的刀具识别算法程序实现；主控从属装置主体为Intel的cyclone系列FPGA芯片，内部主要部署状态机来实现刀具识别算法程序；

机床的数控系统为FANUC Series 0i-MF,通过FANUC LADDER III软件开通系统跳转功能，跳转功能让机床在正常加工时跳转到换刀程序；为实现加工中途换刀，还需在机床中的NC(数字控制)程序、PLC、宏程序做出相应调整，具体如下，首先更改机床系统中参数，打开监控设备的信号接入，在机床内添加刀库备刀判断程序，如图6，其中，#4120为记录主轴当前刀号，#500为记录备用刀号，该程序中定义刀库中1号刀具和11号刀具互为备用刀，2号刀具和12号刀具互为备用刀，以此类推一共10组，也可在编辑程序重新定义备用刀刀具号。在NC程序中，在加工开始位置需加入刀具监测开启代码，加工结束后需加入刀具监测结束代码。图7中测试NC代码中所示，M200为断刀监控开启代码，M201为断刀监控关闭代码，#501为记录断刀状态。在机床更换新刀具后，需要用对刀仪对新刀具进行测量，检测刀具长度是否与放入刀库时一致，确保加工正常进行，如测得刀具长度不对，则机床停止加工并报警。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种机床刀具实时监测系统，其特征在于，包括电流传感器、监测设备、信号转换模块；

所述监测设备包括主控装置、操作与显示装置、通信模块；

电流传感器与主控装置连接，主控装置通过信号转换模块与机床通信，主控装置通过通信模块与上位机通信；操作与显示装置连接主控装置；

三个电流传感器采集机床主轴的三相电流信号并转化相应的电压信号后，发送至主控装置，主控装置一方面将监测得到的电压信号发送给上位机，另一方面主控装置使用机床刀具实时监测方法通过得到的电压信号判断刀具的状态，并在刀具断刀状态时向机床发送断刀信号；

机床刀具实时监测方法包括：

通过电流传感器实时采集机床主轴三相电流信号并转化相应的电压信号；

然后将电流传感器输出的电压信号经过RMS处理，之后通过窗口均值函数，取一定的窗口大小得到每一窗口对应的均值，之后，进一步通过中值滤波滤除噪声，平滑信号；

最终得到随刀具加工时的代表机床主轴控制电流的周期信号；通过比对该周期信号的峰峰值，判断刀具的状态，当发生刀具断刀状态，则向机床发送断刀信号；

该周期信号的峰峰值小于设定阈值时，即判断为刀具断刀状态。

2.如权利要求1所述的机床刀具实时监测系统，其特征在于，

监测设备还包括主控从属装置；

主控装置将监测得到的电压信号发送给主控从属装置，由主控从属装置使用机床刀具实时监测方法通过得到的电压信号判断刀具的状态，将刀具的状态反馈至主控装置，主控装置在刀具断刀状态时向机床发送断刀信号。

3.一种机床刀具实时监测并自动换备刀方法，适用于如权利要求1所述的机床刀具实时监测系统，其特征在于，包括：

通过电流传感器实时采集机床主轴三相电流信号并转化相应的电压信号；

然后将电流传感器输出的电压信号经过RMS处理，之后通过窗口均值函数，取一定的窗口大小得到每一窗口对应的均值，之后，进一步通过中值滤波滤除噪声，平滑信号；

最终得到随刀具加工时的代表机床主轴控制电流的周期信号；通过比对该周期信号的峰峰值，判断刀具的状态，当发生刀具断刀状态，则向机床发送断刀信号；

当机床收到监测设备提供的断刀信号时，机床停止加工程序，并跳转到换刀程序，通过事先存入机床内的刀库备刀判断程序判断使用哪把备用刀具，并在换刀结束后调取对刀宏程序，对刀具进行测量，确定刀具完整后继续进行正常加工，如对刀仪测得刀具长度与刀具事先存入刀库时测的长度不符，则说明刀具已经破损，机床报警并停止加工；

该周期信号的峰峰值小于设定阈值时，即判断为刀具断刀状态。

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