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1 序言

隨著智能制造強國戰略的實施，應用搬運機器人自動上料、裝夾及堆垛，實現工件全過程自動化加工，已經成為行業發展的趨勢。實施自動化加工能減少人工干預，保證產品一致性，還能實現一人多機的生產方式，為企業降低了人力成本。自動化加工過程中，刀具可能會出現破損等情況，這時候就需要產線發出報警，提醒管理人員更換刀具。

2 使用雷尼紹TS27R實現刀具破損檢測

2.1 機床及對刀儀的基本情況

本例中機床為臥式鏜銑加工中心，配置FANUC 0i MF數控系統，帶有雷尼紹TS27R接觸式對刀儀，使用盤形測針，測針規格為φ12.7mm。在臥式加工中心的工作臺旁邊安裝支架，將對刀儀安裝在支架上，這樣既能保證對刀儀在機床各軸行程范圍之內，又不會影響工件裝夾和工作臺回轉，具體安裝位置如圖1所示。

圖1 TS27R對刀儀在臥式加工中心上的安裝位置

2.2 對刀儀的安裝及線路連接

為了獲得準確的測量數據，對刀儀在安裝過程中要盡量使盤形測針的端面與臥式加工中心的XY軸平面平行。如圖2所示對刀儀的調節方式，交替調節L1和L2螺釘能夠調節測針在前后方向的水平度，交替調節L3和L4螺釘能夠調節測針在左右側方向的水平度，最后將各螺釘鎖緊，在主軸上安裝千分表，測量盤形測針端面與機床XY軸平面的平行度，保證平行度在0.003mm以內。

圖2 對刀儀的調節方式

連接對刀儀的線路前查閱機床電氣說明書，本文中的機床通過CB106排線連接I/O模塊及轉接板，跳轉輸入信號地址是X4.7，查找到轉接板上的對應端子并連接，注意MI8-4電路板上的0V和24V電源線也需連接到轉接板的對應端子上面。

2.3 對刀儀的標定及參數設置

TS27R對刀儀在初次使用前，需要使用基準刀具（見圖3）進行標定，測量之前先使用ZOLLER對刀儀精確測量基準刀具的刀長及直徑等參數，本例中基準刀具的刀長為336.489mm，刀具直徑為10.016mm。標定的目的是精確測量盤形測針中心的XY軸機械坐標及上端面的Z軸機械坐標數據。

圖3 標定對刀儀所用的基準刀具

接下來需要對以下參數進行設置：將參數3202的NE9位設為0，即數字9開頭的程序可以編輯；將參數6200的SKF位設為1，參數6201的SEB位設為1，參數6202的1S1位設為1，使G31跳轉代碼生效。然后將廠家提供的標準測量循環程序傳入數控機床，再將參數3202的NE9位設為1，使數字9開頭的程序進入寫保護狀態。

在手輪模式下，將基準刀具移動到對刀儀盤形測針以上10mm的位置，然后在AUTO模式下調用09070程序。

%

09070

M0

G05.1Q0

G90G80G40G49

#2297=336.489

G65P9855R10.016T97D12.7

G05.1Q1

M30

%

上述09070程序調用了09855測量子程序，#2297的數值是基準刀具的長度，R10.016是基準刀具的直徑，D12.7是盤形測針的直徑。

P9855標定程序內容（針對雷尼紹公司提供的程序進行了簡化處理，根據其測量原理編寫標定程序，便于讀者理解相關內容）。

%

09855

#1=#5021；記錄當前主軸位置的X軸機械坐標

#2=#5022；記錄當前主軸位置的Y軸機械坐標

#3=#5023；記錄當前主軸位置的Z軸機械坐標

#4=#2297；將刀具長度儲存在#4變量中

G31X[#1+[#7/2]+[#18/2]+#125]F100；沿X軸正方向移動，#125是偏移量，數值為5

G0Z[#3-15]

G31X[#1]F100；移動至圓柱中心位置，如果觸發SKIP信號，則清除余程并停止

#522=#5061；記錄觸發跳轉信號時的X軸機械坐標，并保存在#522變量中

G0X[#1+[#7/2]+[#18/2]+#125]；返回X軸正方向下刀點

G0Z#3

G31X[#1-[#7/2]-[#18/2]-#125]F100；沿X軸負方向移動，#125是偏移量，數值為5

G0Z[#3-15]

G31X[#1]F100

#521=#5061；記錄觸發跳轉信號時的X軸機械坐標，并保存在#521變量中

G0X[#1-[#7/2]-[#18/2]-#125] ；返回X軸負方向下刀點

G0Z#3

G31X[#1]Y[#2+[#7/2]+[#18/2]+#125]F100；移動到Y軸正方向下刀點位置

G0Z[#3-15]

G31X[#1]Y[#2]F100；移動至圓柱中心位置，如果觸發SKIP信號，則清除余程并停止

#523=#5062；記錄觸發跳轉信號時的Y軸機械坐標，并保存在#523變量中

G0X[#1]Y[#2+[#7/2]+[#18/2]+#125]F100；返回Y軸正方向下刀點

G0Z#3

G31X[#1]Y[#2-[#7/2]-[#18/2]-#125]F100；移動到Y軸負方向下刀點位置

G0Z[#3-15]

G31X[#1]Y[#2]F100；移動至圓柱中心位置，如果觸發SKIP信號，則清除余程并停止

#524=#5062；記錄觸發跳轉信號時的Y軸機械坐標，并保存在#524變量中

G0X[#1]Y[#2-[#7/2]-[#18/2]-#125]F100；返回到Y軸負方向下刀點位置

G0Z#3

G31X[#1]Y[#2]F100；移動至圓柱中心位置

G31Z[#3-15]F100；沿著圓形測針軸線進刀，如果觸發SKIP信號，則清除余程并停止

#520=#5063；記錄觸發跳轉信號時的Z軸機械坐標，并保存在#520變量中

#520=#520-#4；此時#520的數值就是盤形測針上端面的Z軸機械坐標

G0Z#3

M99

%

執行完上述標定程序后，在M D I模式下點擊OFFSET—用戶宏程序，就能查看標定程序測量出的變量數據。

2.4 刀具破損檢測

在進行刀具破損檢測之前，先將該刀具的實際直徑及長度值，儲存在數控機床中，一般情況下，在刀具執行加工程序后進行檢測，可以在程序末尾增加以下代碼。

G91 G28 Z0

G65 P9858 T1 H0.5；在刀具中心位置測量刀長

M30

上述程序中H0.5指刀具破損判斷公差值，該程序會自動對比對刀儀測量出的刀具長度，并與寄存在系統里的刀具長度進行對比，如果超過這個公差0.5mm，則產生報警，提醒操作人員更換刀具。如果測量的是端銑刀，則需要將上述程序改為G65P9858 T1 Dd H0.5，上述Dd代表端銑刀的直徑。由于P9858子程序測量的原理與標定程序的測量原理相同，這里不再贅述。

3刀具破損檢測

上面介紹了使用雷尼紹TS27R對刀儀進行刀具破損檢測的方法，此方法操作和編程較簡單，但需要增加TS27R對刀儀等硬件設施，提高了項目實施成本。接下來介紹另外一種方法，利用FANUC數控系統自帶的主軸電動機負載監控功能，檢測刀具是否出現破損。

機床在切削過程中刀具如果出現破損，主軸電動機負載率會出現變化。主軸電動機負載率可以用PMC窗口功能將數據提取出來并寫進R地址內，這種方法要求數控機床能夠與上位機互聯互通，上位機可以通過PLC點位法采集主軸電動機負載率等數據，并進行對比分析。如果主軸電動機負載率數據異常，則發出報警，提示操作人員更換刀具。

3.1 主軸電動機負載率讀取PMC程序使用的參數地址

使用PMC窗口功能讀取當前主軸的負載量，讀取主軸電動機負載率的PMC窗口功能代碼是153，首地址為D1070，本例把最終數據賦值到R1212～R1213中，便于上位機讀取。主軸電動機負載率讀取用到的控制數據見表1。

表1 主軸電動機負載率讀取用到的控制數據

3.2 主軸電動機負載率讀取PMC程序設計

實現主軸電動機負載檢測的PMC程序如圖4所示，可以將其設計成一個子程序，在二級主程序中進行調用即可。

查閱FANUC系統PMC編程手冊，主軸電動機負載率Load（%）＝（L/32767）λ，式中Load（%）是主軸電動機負載率；L是PMC窗口功能從數控系統中讀出的數值，本例中該數值被存放在D1052里面；λ是系統參數4127的數值。本例所用的機床，參數4127的數值為143（注意機床不同，該參數設置也不相同）。

由于部分工序，例如攻螺紋時主軸電動機的負載率較低，讀取出的負載率是非常小的數值，會出現R1212～R1213地址（16位二進制數據）里的數據都是0的情況，不便于上位機讀取數據，這里將主軸電動機負載率放大100倍，上位機讀取到數據后，再將其縮小100倍，這樣就能反映真實的加工情況。因此在圖6所示的PMC程序中，主軸電動機負載率按公式Load（%）＝(14300L)/32767進行讀取，最終將主軸電動機負載率寫入R1212～R1213里面。

圖4 主軸電動機負載檢測PMC梯形圖

3.3 主軸電動機負載率數據顯示及相關試驗

按圖4程序修改機床上的梯形圖，使用絲錐加工M6螺紋孔，觀察其主軸電動機負載率，在M6螺紋孔加工過程中，按SYSTEM鍵，查看PMC信號狀態， 地址R1212的數據是00101101，R1213的數據是00000001，由于R1212占低八位，R1213占高八位，最終的讀數是0000000100101101，將其轉化十進制數為301。根據上文所述，為了方便上位機讀取數據，將主軸電動機負載率放大了100倍，所以M6螺紋孔加工過程中真實的主軸電動機負載率為3.01%，符合實際情況。

使用上位機讀取地址R1212～R1213的數值，將其轉化為二進制數并縮小100倍，就是真實的主軸電動機負載率。然后上位機再對主軸電動機負載率進行監控，如果發現該數值異常，就發出報警，提示操作人員更換刀具，這樣就達到了刀具破損檢測的目的。

本文案例上位機采集數據的方法是P L C點位法，這種方法的優點是不受數控系統通信協議的限制，操作較簡單，但需要使用C#等語言編寫上位機程序。

4結束語

本文針對刀具破損檢測，介紹了雷尼紹TS27R對刀儀和主軸電動機負載檢測這兩種方法，從硬件和軟件兩個方面提出了解決方案，解決了自動化生產線加工過程中刀具破損的問題，幫助讀者掌握相關技術。