CN114619104A - 断刀监测系统和监测方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种断刀监测系统和监测方法。该断刀监测方法包括以下步骤：功率传感器采集刀具在多个加工位置的功率数据，并向功率数据采集模块发送功率数据；功率数据采集模块将包括功率数据的信号发送至终端；终端根据信号确定加工功率值大于预设的功率阈值P的点数为M，若M与预设的功率采集点数阈值N满足M≥N，则判断刀具正常；若M<N，则判断发生断刀。该监测方法实时监测刀具的加工过程，该方法不需要提高功率采集频率，便可以监测到快速加工过程的断刀现象，及时通知操作人员换刀，能够有效地防止不合格品的流出，同时降低了监测成本。
Description
技术领域
本发明涉及数控加工技术领域，尤其涉及一种断刀监测系统和监测方法。
背景技术
快速加工指的是加工持续时间非常短的加工，其加工时间可以毫秒计算。丝锥在数控加工行业中十分常见，其是一种加工内螺纹的刀具。丝锥断刀后，与加工面无法正常接触，断刀后的丝锥加工的产品通常为不合格产品。
现有技术中，一般采用物理监测刀长的方式来监测是否发生断刀。这要求刀具必须在长度上出现明显的缩短，才能输出断刀报警。丝锥等刀具断刀损坏后，长度不会出现明显缩短，物理监测刀长无法监测出丝锥断刀，故无法及时输出断刀报警，可能导致不合格产品的大批量流出。
现有技术中也有通过采集主轴功率、振动、电流等信息来监测是否断刀的方法。但现有技术通常通过对加工过程中的振动、功率值设定上下阈值，来判断刀具是否与加工表面接触，若有连续的采样点低于阈值，则判断为断刀，但由于快速加工的加工时长较短，刀具与加工表面接触时长也短，丝锥加工可能只持续几十至几百毫秒，普通采样率或数控系统通讯速率的数据采集方式难以保证能捕捉到加工时的功率峰值数据，更难保证捕捉到低于阈值的采样点，所以难以判断快速加工过程中是否断刀，同时提高采样率的成本又很高。故现有方法无法及时监测到断刀现象，可能导致不合格产品的大批量流出。
发明内容
针对上述现有技术中的问题，本申请提出了一种断刀监测系统和监测方法，该监测方法通过监测主轴的功率的方式，实时监测刀具的加工过程，该方法不需要提高功率采集频率，便可以监测到快速加工过程的断刀现象，及时通知操作人员换刀，能够有效地防止不合格品的流出，同时降低了监测成本。
第一方面，本发明提供了一种断刀监测系统，该断刀监测系统包括：功率传感器，其构造成安装在主轴的动力线上，以采集主轴的功率数据；主轴上设置有加工刀具；功率数据采集模块，其与所述功率传感器通信连接，以接收所述功率传感器发送的功率数据，并向终端发送包括功率数据的信号；以及终端，其与所述功率数据采集模块通信连接，用于根据所述信号判断是否发生断刀。利用该断刀监测系统，能够为下述断刀监测方法提供结构基础，有利于监测到快速加工过程的断刀现象。
在第一方面的一个实施方式中，断刀监测系统还包括控制系统，所述控制系统分别与所述主轴驱动器、所述功率数据采集模块通信连接，以控制主轴驱动器的输出功率。通过该实施方式，终端判断发生断刀时，刀具能够及时停止加工，从而有利于有效地防止不合格产品的流出。
在第一方面的一个实施方式中，断刀监测系统还包括报警器，所述报警器与所述控制系统通信连接。通过该实施方式，终端判断发生断刀时，报警器能够及时开始工作，从而有利于及时通知操作人员换刀。
第二方面，本发明还提供了一种利用第一方面及其任一实施方式的所述的断刀监测系统的断刀监测方法，所述功率传感器安装在主轴的动力线上，该断刀监测方法包括以下步骤：在刀具的加工过程中，功率传感器采集刀具在多个加工位置的功率数据，并向功率数据采集模块发送功率数据；功率数据采集模块将包括功率数据的信号发送至终端；终端根据所述信号确定加工功率值大于预设的功率阈值P的点数为M，若M与预设的功率采集点数阈值N满足M≥N，则判断刀具正常；若M<N，则判断发生断刀。利用该监测方法，通过判断加工功率值大于预设的功率阈值P的点数M与预设的功率采集点数阈值N的大小关系，实时监测刀具的加工过程，该方法不需要提高功率采集频率，便可以监测到快速加工过程的断刀现象，及时通知操作人员换刀，能够有效地防止不合格品的流出，同时降低了监测成本。
在第二方面的一个实施方式中，功率阈值P根据刀具与加工表面正常接触时的加工功率确定。通过该实施方式，有利于正确的判断是否发生断刀。
在第二方面的一个实施方式中，所述功率阈值P大于等于所述加工功率的60％小于等于所述加工功率的75％。通过该实施方式，有利于正确的判断是否发生断刀。
在第二方面的一个实施方式中，功率采集点数阈值N根据刀具加工孔的数目、加工单个孔的加工时长以及功率采集频率确定。通过该实施方式，有利于正确的判断是否发生断刀。
在第二方面的一个实施方式中，刀具加工孔的数目越多、加工单个孔的加工时长越长、功率采集频率越大，功率采集点数阈值N越大。通过该实施方式，有利于正确的判断是否发生断刀。
在第二方面的一个实施方式中，当所述终端判断发生断刀时，所述功率数据采集模块将断刀信息发送至控制系统，所述控制系统向所述主轴驱动器发出停止运行指令。通过该实施方式，终端判断发生断刀时，刀具能够及时停止加工，从而有利于有效地防止不合格产品的流出。
在第二方面的一个实施方式中，当所述终端判断发生断刀时，报警器报警。通过该实施方式，终端判断发生断刀时，报警器能够及时开始工作，从而有利于及时通知操作人员换刀。
本申请提供的断刀监测系统和监测方法，相较于现有技术，具有如下的有益效果。
1、本发明的监测方法，通过判断加工功率值大于预设的功率阈值P的点数M与预设的功率采集点数阈值N的大小关系，实时监测刀具的加工过程，该方法不需要提高功率采集频率，便可以监测到快速加工过程的断刀现象，及时通知操作人员换刀，能够有效地防止不合格品的流出，同时降低了监测成本。
2、通过使用控制系统，终端判断发生断刀时，刀具能够及时停止加工，从而有利于有效地防止不合格产品的流出。
3、通过使用报警器，终端判断发生断刀时，报警器能够及时开始工作，从而有利于及时通知操作人员换刀。
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述，其中：
图1显示了根据本发明一实施方式的断刀监测系统的结构示意图；
图2显示了现有技术中断刀监测方法的功率监测数据图；
图3显示了现有技术中的断刀监测方法无法应用于快速加工；
图4显示了本发明一实施方式的断刀监测方法的功率监测数据图；
图5显示了本发明一实施方式的断刀监测方法的流程图。
附图标记清单：
1-主轴；2-动力线；3-功率传感器；4-主轴驱动器；5-控制线；6-控制系统；7-报警器控制线；8-报警器；9-信号线；10-终端；11-通讯线；12-电源线；13-功率数据采集模块；14-传感器线。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本实施方式提供了一种断刀监测系统，该断刀监测系统包括：功率传感器3，其构造成安装在主轴1的动力线2上，以采集主轴1的功率数据；主轴1上设置有加工刀具；功率数据采集模块13，其与功率传感器3通信连接，以接收功率传感器3发送的功率数据，并向终端10发送包括功率数据的信号；以及终端10，其与功率数据采集模块13通信连接，用于根据信号判断是否发生断刀。
主轴1的动力线2连接主轴1和主轴驱动器4，主轴驱动器4通过动力线2向主轴1传输动能，以带动主轴1上的刀具进行加工作业。其中，刀具可以是丝锥，主轴驱动器4带动丝锥进行打孔作业。功率传感器3位于动力线2上用于采集主轴1的功率数据。功率传感器3能够以一定的功率采集频率采集刀具的功率。当刀具发生断裂等损坏时，采集到的刀具在加工过程中的功率远小于正常情况下刀具加工功率。
功率数据采集模块13与功率传感器3通过传感器线14通信连接。功率数据采集模块13与电源通过电源线12连接，以为功率数据采集模块13供电。优选地，电源的供电电压为24伏。
终端10与功率数据采集模块13通过RS485通讯线11连接，优选地，终端10为工业电脑。工业电脑能够长时间稳定运行，有利于提高断刀监测系统的稳定性。RS485通讯线11广泛地应用在工业环境下可编程逻辑控制器内部之间的通信，本实施方式中，其连接终端10与功率数据采集模块13。RS485采用平衡发送和查分接收，因此具有抑制干扰的能力，有利于提高断刀监测系统的稳定性。
功率传感器3与功率数据采集模块13通过传感器线14通信连接，功率数据采集模块13能够接收功率传感器3发送的功率数据。功率数据采集模块13与终端10通过RS485通讯线11连接，终端10能够接收由功率数据采集模块13发送的包括功率数据的信号，并根据该信号判断是否发生断刀。
该系统为断刀监测方法提供了结构基础，有利于监测到快速加工过程的断刀现象。
在一个实施方式中，如图1所示，断刀监测系统还包括控制系统6，控制系统6分别与主轴驱动器4、功率数据采集模块13通信连接，以控制主轴驱动器4的输出功率。
当终端10判断发生断刀时，终端10先将断刀信息发送至功率数据采集模块13，由于功率数据采集模块13与控制系统6通过信号线9连接，功率数据采集模块13能够将断刀信息发送至控制系统6。又由于控制系统6与主轴驱动器4通过控制线5连接，接收到断刀信息的控制系统6，能够向所述主轴驱动器4发出停止运行的指令，刀具停止加工，从而有利于有效地防止不合格产品的流出。
通过本实施方式，终端10判断发生断刀时，刀具能够及时停止加工，从而有利于有效地防止不合格产品的流出。
在一个实施方式中，如图1所示，断刀监测系统还包括报警器8，报警器8与控制系统6通信连接。
可选地，报警器8为报警指示灯；可选地，报警器8为蜂鸣器；可选地，报警器8既包括报警指示灯单元，也包括蜂鸣器单元。当终端10判断发生断刀时，终端10先将断刀信息发送至功率数据采集模块13，由于功率数据采集模块13与控制系统6通过信号线9连接，功率数据采集模块13能够将断刀信息发送至控制系统6。又由于控制系统6与报警器8通过报警器控制线7连接，接收到断刀信息的控制系统6，能够命令报警器8工作，报警指示灯闪烁，蜂鸣器发出蜂鸣，从而及时通知操作人员换刀。
通过本实施方式，终端10判断发生断刀时，报警器8能够及时开始工作，从而有利于及时通知操作人员换刀。
如图4和图5所示，本实施方式还提供了一种利用上述断刀监测系统的断刀监测方法，其中，功率传感器3安装在主轴1的动力线2上，如图5所示，该断刀监测方法包括以下步骤：在刀具的加工过程中，功率传感器3采集刀具在多个加工位置的功率数据，并向功率数据采集模块13发送功率数据；功率数据采集模块13将包括功率数据的信号发送至终端10；终端10根据信号确定加工功率值大于预设的功率阈值P的点数为M，若M与预设的功率采集点数阈值N满足M≥N，则判断刀具正常；若M<N，则判断发生断刀。
功率传感器3与功率数据采集模块13通信连接，功率数据采集模块13能够接收功率传感器3发送的功率数据。功率数据采集模块13与终端10通信连接，终端10能够接收由功率数据采集模块13发送的包括功率数据的信号，并根据该信号判断是否发生断刀。
现有技术也有通过采集主轴1的功率、振动、电流等信息来监测是否断刀的方法。但现有技术通常通过对加工过程中的振动、功率值设定上下阈值，来判断刀具是否与加工表面接触，如图2所示，若有连续的采样点低于阈值，则判断为断刀，但由于快速加工的加工时长较短，刀具与加工表面接触时长也短，刀具加工可能只持续几十至几百毫秒，普通采样率或数控系统通讯速率的数据采集方式难以保证能捕捉到加工时的功率峰值数据，更难保证捕捉到低于阈值的采样点，所以难以判断快速加工过程中是否断刀，同时提高采样率的成本又很高。故现有方法无法及时监测到断刀现象，可能导致不合格产品的大批量流出。
具体地，在快速加工过程中，刀具与加工表面接触时间短，当功率传感器3以一定的功率采集频率采集刀具的功率时，功率传感器3所采集的刀具功率并不是都对应于加工过程，也会采集到大量的刀具功率对应于加工间隙，例如举刀、落刀的过程中所采集到的刀具功率。加工间隙中，尽管刀具正常工作，但是其功率远低于刀具与加工表面接触时的加工功率。如图3所示，尽管刀具发生断刀，但是，还是有大量的所采集的加工功率点符合正常的加工功率曲线，这是由于大量的所采集的刀具功率对应功率加工间隙，因此无法通过是否存在连续的采样点低于阈值来判断是否断刀。这是由于快速加工时，刀具与加工表面接触时间短，很可能不存在连续的多个点对应刀具与加工表面接触的过程，或是只有很少的几个连续的点，例如两个连续的点，对应刀具与加工表面接触的过程。
固然可以通过大幅度提高功率采集频率以增多对应刀具与加工表面接触的过程的连续的采样点的点数，以准确判断是否发生断刀，但该方法会大幅度提高监测成本。
本监测方法成功地解决了现有技术中的技术问题，本实施方式的检测方法中终端10根据信号确定加工功率值大于预设的功率阈值P的点数为M，若M与预设的功率采集点数阈值N满足M≥N，则判断刀具正常；若M<N，则判断发生断刀。
如图4所示，加工功率曲线上有多个功率传感器3采集的加工功率点，其中，大于功率阈值P的点数为M，若M与预设的功率采集点数阈值N满足M≥N，则判断刀具正常；若M<N，则判断发生断刀。
本实施方式中的监测方法无需提高功率采集频率以增大对应刀具与加工表面接触的过程的连续的采样点的点数，就可以准确判断是否发生断刀，有利于降低监测成本。
通过本实施方式，利用该监测方法，通过判断加工功率值大于预设的功率阈值P的点数M与预设的功率采集点数阈值N的大小关系，实时监测刀具的加工过程，该方法不需要提高功率采集频率，便可以监测到快速加工过程的断刀现象，及时通知操作人员换刀，能够有效地防止不合格品的流出，同时降低了监测成本。
在一个实施方式中，功率阈值P根据刀具与加工表面正常接触时的加工功率确定。这是根据当刀具发生断裂等损坏时，采集到的刀具在加工过程中的功率远小于正常情况下刀具加工功率。因此，功率阈值P根据刀具与加工表面正常接触时的加工功率确定。
优选地，功率阈值P大于等于加工功率的60％小于等于加工功率的75％。该范围可以有效地提高监测的准确率。该数值与刀具空转功率相对应，可以有效地区分刀具是否与加工表面正常接触。
在一个实施方式中，功率采集点数阈值N根据刀具加工孔的数目、加工单个孔的加工时长以及功率采集频率确定。
优选地，刀具加工孔的数目越多、加工单个孔的加工时长越长、功率采集频率越大，功率采集点数阈值N越大。
这是由于具加工孔的数目越多、加工单个孔的加工时长越长、功率采集频率越大，功率采集点数的总数越大。
在一个实施方式中，当终端10判断发生断刀时，功率数据采集模块13将断刀信息发送至控制系统6，控制系统6向主轴驱动器4发出停止运行指令。
当终端10判断发生断刀时，终端10先将断刀信息发送至功率数据采集模块13，由于功率数据采集模块13与控制系统6通过信号线9连接，功率数据采集模块13能够将断刀信息发送至控制系统6。又由于控制系统6与主轴驱动器4通过控制线5连接，接收到断刀信息的控制系统6，能够向所述主轴驱动器4发出停止运行的指令，刀具停止加工，从而有利于有效地防止不合格产品的流出。
在一个实施方式中，当终端10判断发生断刀时，报警器8报警。
可选地，报警器8为报警指示灯；可选地，报警器8为蜂鸣器；可选地，报警器8既包括报警指示灯单元，也包括蜂鸣器单元。当终端10判断发生断刀时，终端10先将断刀信息发送至功率数据采集模块13，由于功率数据采集模块13与控制系统6通过信号线9连接，功率数据采集模块13能够将断刀信息发送至控制系统6。又由于控制系统6与报警器8通过报警器控制线7连接，接收到断刀信息的控制系统6，能够命令报警器8工作，报警指示灯闪烁，蜂鸣器发出蜂鸣，从而及时通知操作人员换刀。通过本实施方式，终端10判断发生断刀时，报警器8能够及时开始工作，从而有利于及时通知操作人员换刀。
实施例一
刀具为丝锥，主轴驱动器4带动丝锥进行打孔作业。其中，每加工一个工件，丝锥需要连续加工5个孔，丝锥每加工一个孔需要0.5秒，功率采集频率为10赫兹，丝锥正常加工时，功率在1200至1400瓦之间。
此时，根据长期经验，设定功率阈值P为900瓦，设定功率采集点数阈值N为10。
从丝锥加工第一个孔开始监控，到加工完成第五个孔结束监控，此期间内，采集到的功率大于900瓦的点数为M，如果M大于等于10，则判断刀具正常；若M小于10，则判断发生断刀。
当终端10判断发生断刀后，终端10先将断刀信息发送至功率数据采集模块13，由于功率数据采集模块13与控制系统6通过信号线9连接，功率数据采集模块13能够将断刀信息发送至控制系统6。又由于控制系统6与主轴驱动器4通过控制线5连接，接收到断刀信息的控制系统6，能够向所述主轴驱动器4发出停止运行的指令，刀具停止加工，从而有利于有效地防止不合格产品的流出。
同时，又由于控制系统6与报警器8通过报警器控制线7连接，接收到断刀信息的控制系统6能够命令报警器8工作，报警指示灯闪烁，蜂鸣器发出蜂鸣，从而及时通知操作人员换刀。
本实施例中的监测系统利用上述监测方法，通过监测主轴1的功率的方式，实时监测刀具的加工过程，该方法不需要提高功率采集频率，便可以监测到快速加工过程的断刀现象，及时通知操作人员换刀，能够有效地防止不合格品的流出，同时降低了监测成本。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (10)
1.一种断刀监测系统，其特征在于，包括：
功率传感器，其构造成安装在主轴的动力线上，以采集主轴的功率数据；主轴上设置有加工刀具；
功率数据采集模块，其与所述功率传感器通信连接，以接收所述功率传感器发送的功率数据，并向终端发送包括功率数据的信号；以及
终端，其与所述功率数据采集模块通信连接，用于根据所述信号判断是否发生断刀。
2.根据权利要求1所述的断刀监测系统，其特征在于，还包括控制系统，所述控制系统分别与所述主轴驱动器、所述功率数据采集模块通信连接，以控制主轴驱动器的输出功率。
3.根据权利要求2所述的断刀监测系统，其特征在于，还包括报警器，所述报警器与所述控制系统通信连接。
4.一种利用如权利要求1-3中任一项所述的断刀监测系统的断刀监测方法，所述功率传感器安装在主轴的动力线上，其特征在于，包括以下步骤：
在刀具的加工过程中，功率传感器采集刀具在多个加工位置的功率数据，并向功率数据采集模块发送功率数据；
功率数据采集模块将包括功率数据的信号发送至终端；
终端根据所述信号确定加工功率值大于预设的功率阈值P的点数为M，若M与预设的功率采集点数阈值N满足M≥N，则判断刀具正常；若M<N，则判断发生断刀。
5.根据权利要求4所述的断刀监测方法，其特征在于，功率阈值P根据刀具与加工表面正常接触时的加工功率确定。
6.根据权利要求5所述的断刀监测方法，其特征在于，所述功率阈值P大于等于所述加工功率的60％小于等于所述加工功率的75％。
7.根据权利要求4所述的断刀监测方法，其特征在于，功率采集点数阈值N根据刀具加工孔的数目、加工单个孔的加工时长以及功率采集频率确定。
8.根据权利要求7所述的断刀监测方法，其特征在于，刀具加工孔的数目越多、加工单个孔的加工时长越长、功率采集频率越大，功率采集点数阈值N越大。
9.根据权利要求4所述的断刀监测方法，其特征在于，当所述终端判断发生断刀时，所述功率数据采集模块将断刀信息发送至控制系统，所述控制系统向所述主轴驱动器发出停止运行指令。
10.根据权利要求4所述的断刀监测方法，其特征在于，当所述终端判断发生断刀时，报警器报警。
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