伺服电动机扭矩监控在刀具检测中的应用

吕成伟



伺服电动机扭矩监控在刀具检测中的应用

吕成伟

（北京福田康明斯发动机有限公司，北京 102206）

随着机床在线检测技术的发展，出现了很多机床刀具的磨损和断裂的检测方法，对于一些没有断刀检测报警的组合机床，以及一些受空间限制的机床改造，无法新增断刀检测后报警的功能，因此提出了采用对伺服电动机的扭矩监控，同时通过PLC程序来实现对刀具状态的在线检测和报警。此应用具有模块化、成本低、应用范围广的特点；无需对机床硬件进行任何改动，也可以配合其他的刀具在线检测方法同时使用，更准确地检测出刀具状态的变化。

PLC；断刀检测；伺服电动机；扭矩监控

组合机床大部分采用多个轴、多把刀、多道工序、多个面或多个工位同时加工的方式，生产效率与通用机床相比高出很多。同时可以根据工艺需求灵活制造和配置，制造的周期也很短。因此，组合机床的优点是高效率柔性强，在批量生产上应用非常广泛。本文以一种加工发动机缸盖的组合机床设备为例，机床的主要工艺是加工进排气面和座圈孔，设备采用西门子S7-317 PLC核心控制，通过Profibus通信连接西门子611U伺服驱动模块，使用西门子MP277触摸屏和两个可移动的触摸屏来显示机床和工件的信息以及进行手动操作。机床共有19个在线传送工位，安装有16个自动机械加工工位和3个空工位，安装两个工件90°旋转工位和一个燃烧室端面自动测量工位，设备通过与自动传送杆连接实现自动传送工件。

图1 缸盖组合机床布局图

1 现有组合机床刀具在线检测的原理

刀具在线检测的方法很多，主要的方法有功率检测、学习模式、力检测、声发射检测等[1-2]。图1所示设备布局中的Stations 3-4L、6-7L、9-10L是具有利用冷却液的流量和压力来进行断刀检测的系统。图2通过高压冷却液在刀具中的流量和压力，来判断刀具是否正常或者受到损害，每个流量开关和压力开关都安装在冷却液到达刀具之前，并设置一个冷却液通过刀具的流量和压力范围，当刀具损坏或内部冷却堵塞时，通过刀具的冷却液的流量或压力就会超出设置的极限范围，触发设备停机报警，并在HMI屏幕上显示报警信息。

图2 工位部分冷却系统

2 刀检主要问题以及改造方案的确定

2.1 机床通过内冷在线检测刀具存在的问题

刀具的在线检测技术，不仅能降低成本，提高加工时生产效率，而且对于产品优化组合、减少设备的故障率都会起到很大的作用[3-6]。本文设备使用刀具内部的冷却管路，从刀身到刀尖是由粗到细变化的，机床通过冷却液的流量和压力来在线检测刀具是否断刀和损坏，主要存在以下问题：

1）在加工工件过程中，当刀具从刀尖处断裂时，由于刀尖处的冷却管路的孔很细，所以有时对冷却管路的流量和压力影响不大，没有超出设置的极限范围，即机床不会触发停机报警，后果造成大批量的工件加工不合格，甚至报废，对经济效益产生极大的影响。

2）如果冷却液中有杂质堵塞冷却管路，如铁屑、油泥等，冷却管路流量和压力就会产生波动，有可能会超出流量和压力的设置范围，即机床触发停机报警，后果造成机床误报警，增加停机和维修时间，对生产效率产生影响。

以上两种情况在实际生产中产生的后果很严重，而且已经不止一次发生，故必须采取相应的 措施。

2.2 改造方案的确定

根据刀具检测在工业领域的应用经验，最初提出了以下几个参考方案。

1）在机床需要刀检的工位上增加检测刀具长度的感应开关。

2）在机床需要刀检的工位上增加检测刀尖位置的光电开关。

3）在机床需要刀检的工位上增加其他厂家的断刀检测器。

4）在机床的空工位增加检测缸盖加工之后的相应孔是否合格的机构。

5）使用Artis刀具在线监控系统。

考虑到设备内潮湿、安装空间不足、改造成本和时间、改造风险等原因，以上均不是最可行的方案，最终提出是否可以不增加任何检测机构，只在软件或程序上改动，来实现在线断刀检测的方案。

经过以上的分析，切削加工过程中刀具所受的负载力有很多影响因素，根据刀具在线检测的方式，主轴转速、切削深度、进给速度、加工材料4个因素的影响比较大，但在机床的实际加工过程中，刀具主轴转速、切削深度、进给速度、加工材料这4个因素都是不变的，推测出刀具在加工过程中所受到的负载力，随着进给的增加，应该是一个线性变化的曲线，因此可以通过检测刀具电动机的扭矩变化情况，建立进给伺服电动机位置与电动机扭矩的关系式，根据电动机反馈的受力情况来判断刀具是否断 裂[7]。刀具的进给电动机是由伺服电动机来控制，因此通过Profibus通信可以将伺服电动机的位置和扭矩传送给PLC，再通过PLC的运算和逻辑，来实现扭矩出现异常时报警显示。

此方法虽然是通过伺服电动机的扭矩值间接测量刀具的状态，但是只需要更改PLC程序即可，不受设备工况，安装空间的影响，而且节省了改造成本和时间。

3 系统改造的实施过程

3.1 数据采集

通过数据采集的方法来确定伺服电动机的位置值与扭矩值的关系式。采样方式使用西门子STEP7软件工具，监控实时的伺服电动机的位置值与扭矩值的对应关系，采样频率为1mm。

在正常加工工件时，西门子伺服控制模块与PLC使用Profibus通信，将伺服电动机的位置值和扭矩值传送至PLC程序的数据块中，图3通过监控PLC程序中的数据块，采集611U驱动模块中工进伺服电动机位置值和在此位置的扭矩值，并记录。由于伺服电动机的位置值和扭矩值不断变化，所以采用软件截屏的方式，来确定伺服电动机某位置值所对应的扭矩值。刀具加工进给的总行程为64.5mm，设定采样频率为1mm，即保证伺服电动机每进给1mm的区间内均采集一个相应位置的电动机扭矩值，共采集65个数据样本。

图3 使用西门子软件监控伺服电动机位置与扭矩值

3.2 数据分析

首先，将刀具的加工过程按受力情况分为4个区间，并通过图纸计算出电动机在相应的临界位置值，伺服电动机原点位置值POS=22700。

第一区间：POS=22700～12500刀具与工件无接触，力矩稳定。

第二区间：POS=12500～8000刀具刚与工件接触，力矩上升。

第三区间：POS=8000～-36750刀具加工工件，力矩线性变化。

第四区间：POS=-36750～-41800刀具加工完成工件，准备退刀。

然后，根据在线采集出的数据样本进行分析，将横坐标轴（POS轴）设定为伺服电动机的位置值，将纵坐标轴（TOR轴）设定为伺服电动机的扭矩值，可以绘制出图4，即进给电动机的不同位置与所受扭矩之间关系的散点图曲线。

图4 伺服电动机扭矩与加工位置的散点图

经过以上分析，监控刀具在不同位置的受力的情况可以通过伺服电动机扭矩的变化来反映，而且由于在第一区间内刀具并没有与工件接触，在第四区间内刀具已加工完成工件，而断刀都是发生在刀具没有加工完成时，因此只需要在刀具与工件接触的第二区间和第三区间来进行分析，第二区间为刀具受力上升的区间，电动机受到扭矩的应为平稳上升，因此，第二区间的最大扭矩只要不超过第三区间平稳加工时的扭矩范围即可；第三区间为刀具受力平稳的加工过程，根据伺服电动机的扭矩与位置近似呈的线性变化，可得出近似线性方程如式（1）所示，第三区间伺服电动机扭矩与加工位置的散点图如图5所示。

曲线近似方程为

y= -0.0027x+1319R2=0.7832

式中，为伺服电动机扭矩，为加工位置，2为回归系数，2趋近于1曲线的拟合程度越好。其中-36750＜＜8000，当=-36750时，=1418.225为最大值。

3.3 PLC和触摸屏的更改

使用SIEMENS的PLC软件STEP7 对程序进行更改，在原有项目中增加一个功能块FC300，命名为FC_Tool_Inspect；数据块DB300，命名为DB_Tool_Inspect。在程序块FC300中编写如下程序段，如图6所示。

由于不同刀具最大扭矩的设定值可能会有差异，所以为了增强不同刀具监控设定值的可操作性，图7在触摸屏操作面板上增加一个刀具信息页面，来实现在线断刀检测的可视化和易操作性。

图7 触摸屏刀具信息页面

4 实验过程与验证

设备连续正常加工10件工件，将触摸屏监控扭矩的最大值设定为1300N·m，加工过程中设备出现报警提示，等待其他所有工位加工完成时，设备停止运转，操作人员确认检查刀具状态。断刀操作需要操作人员更换刀具，如果刀具状态正常，就需要检查监控扭矩的最大值设定是否合理。

更改触摸屏监控扭矩的最大值设定值为1500N·m，通过监控STEP7软件数据块中的数据，发现加工每件时的实际最大扭矩均未超过扭矩设定的最大值，设备正常运转无断刀检测报警。检测加工完成后的工件尺寸合格，并做到定期抽检。

每次换刀后可能对扭矩的最大值有一些影响，为了降低误判率，每次换刀后加工的首件需要监控实际最大扭矩是否超过了之前的设定值，根据实际扭矩值调整设定的最大扭矩值。

5 误判和风险

此方法是在设备改造空间有限，同时不增加任何硬件的的条件下，通过伺服电动机的反馈数据间接地检测刀具状态，因此会存在一定的误判率和风险。

由于电动机的扭矩过大原因不仅仅是刀具状态引起的，当电动机本身发生故障或者设备出现机械故障时，均可导致设备的报警停机，造成检测的误判。同时，监控最大扭矩的设定值是通过实验后的经验所得，若人为设定的值偏小，则也会导致误判的风险存在。为了将人为因素导致的误判率降到最低，在HMI的设定刀具监控界面上可增加访问操作的权限，只有特点授权人员可以进行更改。

虽然使用此方法后设备的误判率会有所上升，但是成本比较低，产生误判时均会造成设备的停机，必须操作人员确认刀具的状态，这样避免了批量废品的产生，提高了产品的质量。

6 结论

本文根据从实验得到的数据进行分析和统计，按照误差最小的原则，归纳出变量之间的数学表达式的方法，也称做经验建模，应用到刀具在线检测中，对机床断刀的检测虽然有一定的误判风险，但为了避免批量废品的产生还是可行的，同时实现了刀具检测的可视化和可调整性，从而提高了生产效率，降低了设备的改造成本，此方法也可以与其他刀具在线检测设备仪器同时使用。

[1] 陈雷明, 杨润泽, 张治. 基于铣削刀的刀具磨损监控研究[J]. 机械制造与自动化, 2011, 40(1): 49-50.

[2] 韩亚利, 陈勇. 基于小波分析的数控刀具状态在线监控系统[J]. 装备制造技术, 2009(7): 71-73.

[3] 陈勇, 周志平, 洪小丽. 数控切削过程中的刀具破损在线监控[J]. 组合机床与自动化加工技术, 2008(6): 52-54.

[4] 高中涛, 刘仁龙, 张伟. 接触式断刀侦测系统的研究和应用[J]. 制造技术与机床, 2007(11): 20-22.

[5] 黄茂正. 加工中心的刀具监控技术发展应用浅谈[J]. 制造技术与机床, 2006(12): 21-24, 32.

[6] 朱红波, 梅卫江. 刀具磨损识别方法的分析与研究[J]. 装备制造技术, 2012(2): 22-23, 34.

[7] 徐创文, 陈花玲, 刘晓斌. 偏最小二乘回归在刀具磨损试验建模中的应用[J]. 系统仿真学报, 2007, 19(13): 3115-3118, 3125.

Application of Torque Monitor of Servo Motor in the Tool Detection

Lv Chengwei

(Beijing Foton Cummins Engine Co., Ltd, Beijing 102206)

With the development of the machine tool online detaction, there are many methods of detect the tool wear and fracture. For the machine have no tool break detection alarm and being limited by the space, which can’t add the alram of tool detection. It raised we can monitor the torque and improve the PLC programs, in order to detecting the tool condition online. The characteristics of the application are module, low cost and wide range of application. No changes to the hardware of the machine, also can use other methods of the tool detection in the same time. Detect the tool condition more accurately.

PLC; tool detection; servo motor; torque monitoring

吕成伟（1982-），男，主任工程师，从事设备电气维修改造工作。