基于多通道位移传感器的刀具断裂检测

耿欣，顾红光

(1.沈阳工学院信息与控制学院，辽宁抚顺113122;2.沈阳机床成套设备有限责任公司技术部，辽宁沈阳 110142)

当今数控机床的自动化程度非常高，尤其是自动生产线上的加工机床，基本用很少的人员来维护生产线的正常运转，所以数控机床的可靠性就尤为重要。如果故障率太高，就需要增加人员，同时严重影响机床加工效率。在机床的故障中，刀具断裂是主要故障之一，同时也是对机床及工件损坏最大的故障之一。刀具断裂会造成工件未加工或未加工完全，很可能会对后面的刀具造成损坏，如果通过机械手流到下工序之后很可能对下一工序的机床造成二次伤害。刀具断裂的检测一般都会浪费加工节拍，尤其在用到刀库的机床，由于刀具较多，需要进行刀具断裂检测花费时间更长。文中介绍一种新型位移传感器，可以用来检测刀具断裂，基本上不占用机床加工节拍，同时能尽量多地检测刀具数量。

1 正常刀具断裂检测的方法

当今机床上的刀具断裂检测主要以下面两种方案为主:

一种是应用触点式传感器进行检测，把触点式传感器固定在机床加工区某一位置，加工时，刀具先快速移动到传感器前，然后减速向前一小段位移，如果传感器发出信号则视为刀具正常，反之刀具断裂。

另一种是应用对射传感器，即两个红外线传感器，一端发射光源，另一端接收光源。把两个传感器分别安在加工区的两个固定位置，加工时，刀具快速移动到传感器发射光源区域，如传感器反馈回信号，说明刀具正常，反之刀具断裂。

这两种方案中，如果检测刀具多的话，第一种方案大大影响加工节拍，因为接触式的有一个减速接触的过程，刀具多了会严重影响加工效率。第二种方案中，因为红外线传感器安装在加工区，所以易被加工的冷却液及油雾污染，由于发光体表面被油雾污染之后很容易阻挡光线发射接收，造成误报警或功能失效;如果安装位置远离加工区，则每次检测时刀具移动距离过远，影响加工节拍。

从以上分析来看，如需要检测断裂的刀具较少可用接触式传感器检测;如果加工中没有冷却液和油雾等可用红外线传感器进行检测;当需要检测的刀具较多且加工时有冷却液或油雾的存在，则以上两种检测方法均不适宜应用。

2 多通道位移传感器介绍

多通道位移传感器由传感器体及传感器头组成，如图1所示。

图1 多通道位移传感器实物图

在使用过程中，传感器体安装在机床面板上或电气柜内，传感器头安装在靠近刀具检测的位置上，传感器体与传感器头通过光缆连接。传感器体控制传感器头发射激光，把检测刀具置于传感器头发射的激光范围内，传感器头将反射回的光线反馈到传感器体，传感器体会检测发光点到反射光点的距离，从而判定刀具是否断裂。不同型号的传感器发射光线的距离不同，可根据所需检测的最长刀具与最短刀具的距离来选定传感器型号。同时，此传感器可设定为4通道检测模式，即每个通道设置一组位移值，共可存储4组位移值，即可检测4种不同长度的刀具。在使用时先分别采集4种刀具的刀尖距离传感器头表面的位移值，分别存储在各自的通道内，当检测时先通过数控系统发出不同的指令来激活不同的通道对不同的刀具进行检测。

3 多通道位移传感器接线图及电路控制图

多通道位移传感器的接线图如图2所示。

图2 多通道位移传感器接线功能图

其中包括电源供电线、高出或低于存储位移值范围内的判定输出、在设定范围允许内的判定输出、模拟输出 (此应用未用到)、4个外部输入。其中4个外部输入中1未用，2、4一起组成4个通道的选择，3为激光生效控制。高低判定输出分别是对应于实际测量值高于或低于存储值，因此应用为刀具断裂检测，所以只用高判断输出，即刀具断裂之后检测的刀具与发光点的位移肯定大于存储值。另外在刀具加工过程中肯定有磨损现象，所以在设定允许范围内应将实际刀具磨损量考虑到其中。

具体控制电路图如图3所示。

图3 多通道位移传感器与PLC连接电路图

4 多通道位移传感器安装与应用

根据此传感器在同一位置可以测量多把不同长度刀具的特点，可以用在有刀库的机床中。在有刀库的机床中，为了节约加工时间，都是在机床正常加工过程中同时把下一把需要用的刀具预选出来。可以根据这个特点把传感器安装在刀库选刀处，通过一个气缸摆动装置，当需要测量时把传感器伸出进行测量，当测量完毕再退回。因为是非加工区域，所以避免了冷却液等油雾污染，同时在机床加工过程中进行测量又对机床的加工节拍没有影响。

在应用过程中，当备选的刀具需要进行刀具检测时，在加工程序中直接编写一指定的M码对应某一特定的刀具就可直接进行测量。当测量后判断输出正常则刀具正常可以进行加工，当高判断输出时则表明此刀具断裂不能进行继续加工。

使用前，先把要测量的刀具进行分类排序定义，如应用一个传感器则把刀库上被测量的刀具按长短分成4组或少于4组。然后对应不同的刀具分别激活不同的通道，把当前的位移值存储到传感器中。通过传感器体上的设置键进行高判定输出值及正常判定范围输出值设定。

5 多通道位移传感器PLC程序控制

通过给外部输入2、4赋值来进行4个通道的选择，这里把2、4定义成A、B通道。当A、B分别为0、0，0、1，1、0，1、1时，对应1、2、3、4四个通道。当3为1时即激光生效，开始进行测量。在控制中，分别用4个M码指令启动4个通道，在加工程序中，当需要检测某把刀具时，就用指定的M码进行检测。

在实际调试过程中发现，当正常判定输出后把激光生效Q47.3及通道控制Q47.2、Q47.4信号同时复位掉之后，有时候会发出报警信号。经检查发现激光生效信号与通道控制信号不能完全同步消失，当通道控制信号比激光生效信号先复位掉时，由于通道信号复位之后变成0、0，这个组合为1通道刀具检测通道，而此时激光生效信号还没有复位，此时系统认为现在检测1通道刀具断裂，如果当前刀具没有1通道的刀具长就会发生报警。所以，在下面的程序的处理中，当正常判定输出后先复位掉激光生效信号Q47.3，通过此信号在复位通道生效信号，如:程序Net work 15、Net work 16所示。

具体PLC程序控制部分如下所示:

6 结束语

此传感器的应用解决了刀具检测浪费机床加工节拍的问题，同时传感器安装在远离加工区域内避免了油雾污染传感器而产生的误报警等现象。在备选刀处检测而不是在换刀之后检测，避免了不同的刀具运动到不同的坐标进行检测，从而简化了加工程序。此传感器能同时检测4种不同长度的刀具，如果加工中需要检测的刀具长度多于4种，就需要增加多通道传感器的数量。

［1］KEYENCE CMOS多功能模拟激光传感器IL系列用户手册［M］.

［2］西门子(中国)有限公司STEP 7 V5.2 编程手册［M］，2003.