数控机床刀具磨损监测与保护系统软件设计

孙巍伟，黄民，李康

(北京信息科技大学 机电工程学院，北京 100192)

0 引 言

在机械加工过程中，当刀具出现过度磨损、剧烈磨损，或直接影响到机床加工精度时，便会出现磨损失效，导致加工质量严重降低，工件精度大幅下降，产品就可能报废，更严重的会导致机床损坏[1]。据统计，机床总停机的时间中，有20%是由刀具故障所造成的[2]，加工过程中由刀具失效引起的加工故障占所有故障的75%[3]。目前，对于刀具的状态，大都依靠工人的经验判断，而且查验刀具磨损状态时需要停止加工，这样就浪费了大量的时间。因此，开发刀具状态在线监测系统尤为重要。在线监测系统不仅可以提高生产效率，而且还能提高生产自动化程度。

目前，国内外对于刀具磨损状态监测的研究主要有直接监测和间接监测两种方法[4-5]。使用直接监测法的时候，需要停机断电，拆除刀具后再进行监测，这种方式不仅浪费时间，而且也使加工不能够持续。因此，目前大部分的研究都集中在间接监测方面，AI C S等[6]，HUNG Chienwei等[7]通过采集声发射信号监测刀具磨损状态，取得了一定的效果；ZHU Kunpeng等[8]选用力传感器，采集加工过程中切削力信号，并进行建模与分析，搭建了一套相应的监测系统；John T.Roth等[9]利用加速度信号进行监测，建立了该信号与刀具状态的回归模型，并通过试验验证了方法的可行性；路勇等[10]采集力信号与加速度信号，并对它们进行分析，并用基于数据模糊分析的神经网络模型进行处理，识别精度有了很大提高；唐军等[11]基于电流信号搭建了一套在线监测系统，并将遗传算法和BP神经网络模型应用到监测系统中，具有一定的工程应用价值；张昌娟等[12]把灰色-马尔可夫理论应用于激光超声复合超精密车削过程中刀具状态的监测及预测中，并通过试验验证了该方法的可行性。

本文主要对数控机床刀具维护保养系统进行研究，并提出该系统软件的设计方法，然后进行系统软件功能及其通讯的试验验证。

1 刀具维护保养系统

1.1 系统组成

刀具维护保养系统由在线刀具磨损状态监测和刀具保护系统两部分组成，如图1所示。

图1 刀具维护保养系统结构Fig.1 Tool maintenance system structure

在线监测系统对单台数控加工中心进行实时监测，实现对单台加工中心刀具状态进行监测的功能，主要完成的工作包括信号采集、数据分析处理、特征提取、状态识别、采集数据的存储、监测结果的显示。根据加工的需求，可以在多台加工中心上分别添加监测系统，形成监控局域网。

刀具保护系统监控整个局域网中所有的监测系统的工作状态，可以实时监控每个加工中心的刀具状态，与在线监测系统之间可在局域网内实现相互通讯。因此，主要是开发App，可以在电脑或手机端进行实时监控。

1.2 系统特点

(1)可在线监测。即可在加工过程中进行监测，不必拆卸刀具停机测量。

(2)非侵入性。不对数控机床或加工中心进行大量改造，也不对数控机床或加工中心进行关键结构、关键电路以及关键程序的改造。

(3)不干涉。不干涉数控设备的正常功能和运行。

(4)方便安装。可以快捷方便地安装与拆卸。

(5)适应性强。适应于大多数数控设备。

(6)数据存储分析。具有存储和实时分析数据的功能。

(7)具备局域网数据通信功能。在同一个局域网内可实时查看状态。

2 刀具磨损状态在线监测系统

刀具磨损状态在线监测系统结构布局如图2所示。

该系统的实现分为软硬件两个方面。软件部分又可以分为机床和刀具磨损监测系统两个部分。其中，机床部分主要功能是实现数控机床与数据采集设备之间的通讯，保证机床的加工数据实时地传输到监测设备，在本文的研究中，主要是采用电流传感器采集机床输入侧的三相电流；刀具磨损监测系统主要是监控页面的设计。

图2 刀具磨损状态监测系统结构布局Fig.2 Structure layout of tool wear monitoring system

2.1 机床部分软件设计及实现

2.1.1 机床PLC梯形图程序

以大连VDL-600A立式加工中心为例，通过查阅机床电器手册找到Y21.0，Y21.1，Y21.3，Y21.4，Y21.5，Y21.6为PLC空闲端口。程序修改如图3所示，矩形框标记部分即为修改过的PLC梯形图程序[13]。

对图3 的修改，主要是为保证机床的正常工作，首先使用空闲内部继电器替换这些空闲外部输出继电器，并用保持继电器将其屏蔽。其次在屏蔽后需要编写子程序，子程序中将数控系统发来的数据通过空闲输出继电器Y21.0，Y21.1，Y21.3，Y21.4，Y21.5，Y21.6输出。子程序的调用如图4所示。子程序中的X0003.1和X0003.2为输入寄存器，当刀具严重磨损时，刀具磨损状态监测系统发送信号至该端口，通知机床停止加工。

图3 机床PLC梯形图修改后的程序

Fig.3 Modification in PLC ladder diagram program of machine tool

图4 机床PLC子程序及子程序的调用Fig.4 PLC subroutine ladder and subroutine call ladder diagram

2.1.2 机床宏程序

当机床完成一个工步后，数控系统需将当前加工工步编号(段号)发给PLC，并由PLC通过端口的8421BCD编码发送给监测系统。刀具磨损状态监测系统通过此段号识别当前机床工作状态，并保存采集到的数据为后期的监测提供索引。数控系统通过在正常的机加工代码中插入编写好的宏程序，便可将段号发送到PLC。查阅机床数控系统手册，可知数控系统中地址#1100—#1106对应PLC中F0054.0—F0054.5。因此，机床宏程序可编写如下：

O9009

#100=ABS[#999]-0;

IF[#100 GT 63]GOTO 1000;

IF[[#100-32]LT0]GOTO 10;

#1106=1;

#100=#100-32;

IF[#100 EQ 0]GOTO 70;

N10 IF[[#100-16]LT0]GOTO 20;

#1105=1;

#100=#100-16;

IF[#100 EQ 0]GOTO 70;

N20 IF[[#100-8]LT0]GOTO 30;

#1104=1;

#100=#100-8;

IF[#100 EQ 0]GOTO 70;

N30 IF[[#100-4]LT0]GOTO 40;

#1103=1;

#100=#100-4;

IF[#100 EQ 0]GOTO 70;

N40 IF[[#100-2]LT0]GOTO 50;

#1102=1;

#100=#100-2;

IF[#100 EQ 0]GOTO 70;

N50 IF[[#100-1]LT0]GOTO 70;

#1101=1;

N70 G4 X0.25;

#1100=1(TECHNA-CHECK START INPUT);

N500 M99;

%

其中，O9009用以给#999地址赋值，而O9008则用来清除先前的赋值。使用时按“G65 P9008；#999=N；G65 P9009；”顺序调用即可，其中N就是要传的加工段号。

2.2 刀具磨损状态监测系统软件及实现

软件整体框架如图5所示，分为类库驱动层、数据处理层和用户界面3层。其中类库驱动层由采集卡软件开发包SDK、Qt类库[14]和开源的图标库Qcustomplot库组成，主要是为数据处理层和用户界面层提供底层支持。数据处理层主要由数据处理、机床工作状态监测、文件读写、网络通信以及监测报告导出等模块组成，是程序的核心部分，监测系统的各种功能逻辑均在这一层实现。用户界面层则主要用以显示数据处理结果，以及获取用户输入数据。

图5 软件架构Fig.5 Software architecture

软件界面分为首页、数据采集页和刀具磨损状态监测页3个界面。监测报告导出功能则不属于任何页面，该功能位于程序菜单栏中。启动初始化流程如图6所示。

图6 软件启动流程Fig.6 Software startup process

2.2.1 首页

首页是一个欢迎界面，主要介绍软件名称、各界面功能、支持该项目的名称和项目编号，以及系统研发单位，如图7所示。

图7 首页界面Fig.7 Home page interface

2.2.2 学习数据采集页

该页面主要用于采集正常加工过程中变频器输入侧电流，并将三相交流电的瞬时值及经运算后的有效值显示在相应的图表中，程序界面如图8所示。

图8 学习数据采集页面Fig.8 Data acquisition page

该页面共分为4个部分:1为参数设置区，主要用来设置采集卡、通讯相关参数以及数据保存路径；2为有效电流显示区，主要显示经运算后的有效电流曲线；3是瞬时电流信号显示区，用以显示三相交流电的瞬时线电流信号；4区域用以显示数据采集状态以及控制数据采集的开始和结束。

界面背后由逻辑代码驱动，学习数据采集页的逻辑共分为两大部分,即参数设置部分和数据采集部分。参数设置部分的主要功能是设置采集卡参数和数据保存路径，该部分的程序流程如图9所示。当要进行采集卡设置时，程序首先会搜索当前可用的采集卡并更新采集卡选择列表，用户选择采集卡后，程序自动获取相应采集卡特性，并更新相应的参数选择列表，用户选择确认后采集卡便设置成功，否则程序将参数重置为原来的参数。当选择确认文件保存路径后，程序会自动使用系统当前时间为文件名在选择的路径下创建文件夹，同时创建common文件保存当前采集卡参数设置，为监测页面使用。数据采集逻辑代码是该页面的主要部分，其程序流程图如图10所示。

图9 参数设置流程图Fig.9 Flow chart of parameter Settings

图10 数据采集流程图Fig.10 Flow chart of data acquisition

点击“开始采集”按钮后，程序首先检查数据存储路径是否设置正确，若存储路径没有被正确设置，则不启动采集卡，而是显示提示框，提示用户需要重新设置路径。若路径设置正确，此时程序会启动采集卡。采集卡数字输入端按照参数设定每隔一定时间对数字输入端口进行扫描，若发现机床发送新的加工段号，则关闭上一次创建的文件，并以新段号为名创建新文件，并打开文件等待数据写入。当模拟端采集数据足够时，会发送信号通知相应程序处理，此时新采集的数据首先在瞬时电流显示区显示，同时经数据计算得出的有效电流值会在有效电流显示区显示。另外，采集数据会在子线程中同步写入到文件中。点击“停止”按钮后，程序便停止对文件的写入操作，并关闭文件，停止采集卡信号采集。

2.2.3 刀具磨损状态监测页

监测页面界面布局和数据采集页面较为相似，如图11所示。

图11 刀具磨损状态监测页面Fig.11 Tool wear condition monitoring page

该页面也分为4个区域，但与“学习数据采集”页面略有不同。区域1还是参数设置区域，但不再用来设置采集卡；区域2显示参考曲线、警戒线和当前电流曲线；区域3显示所有段号的参考曲线、警戒线和当前电流曲线；区域4和“学习数据采集”页面功能相同，显示当前机床工作状态，以及开始和停止监测。

监测页面的代码逻辑是3个页面中最为复杂的一个，共分为参数设置代码逻辑、监测代码逻辑和网络通讯逻辑3部分，监测流程图如图12所示。监测分为3种模式：模式1直接将当前数据与正常加工数据的幅值进行比较，超出设定阈值则为刀具严重磨损；模式2则计算两有效电流信号的方差，然后做差比较，超出设定阈值视为刀具严重磨损；模式3则使用重心频率作为特征指标进行判断。为了加快数据处理速度，文件的读写、数据的运算均在子线程中进行。

网络通讯功能主要负责与刀具保护系统进行数据通讯。刀具保护系统与刀具磨损状态监测系统只要处于同一个局域网中，便可以通过保护系统查看各工作站刀具磨损状态。网络通讯的流程如图13所示。

图12 刀具磨损状态监测流程Fig.12 Flow chart of tool wear condition monitoring

图13 网络通讯流程Fig.13 Flow chart of network communication

3 刀具保护系统

刀具保护系统的设计需要编写一个软件，方便随时查看各刀具磨损状态监测系统的监测情况。目前，手机、平板电脑是非常方便的便携智能设备。Android Studio[15]是谷歌公司推出的一款针对Android系统的编译开发软件，其使用的主要语言为java。利用该软件编写可在手机上应用的监测App。

软件界面设计如图14所示。其逻辑主要为局域网通信功能，软件流程如图15所示。

图14 刀具保护系统软件界面Fig.14 Software interface of tool protection system software

图15 刀具保护系统软件流程Fig.15 Flow chart of tool protection system software

软件使用多线程技术，程序一经运行便启动两个子线程用于网络通讯。子线程1用于监听UDP通讯，当所在局域网中有新的工作站(即刀具监测设备)上线时，保护系统可以得到相应信息并应答。此后，整个监测系统就可以获取刀具保护系统的IP地址，为此后的数据发送做好准备。子线程2用于监听TCP连接，当有TCP通讯时，便提取数据信息并通过线程间通讯通知主线程更新UI界面的的数据。刀具保护系统和刀具磨损状态监测系统的通讯协议为：工作站号、段号、通讯信息。

4 试验验证

对所设计软件系统进行功能测试，同时验证监测系统的通用性。试验在VMC850立式加工中心进行，该加工中心和大连VDL-600A立式加工中心应用过程一致，都需要修改相应的PLC参数。试验条件为：刀具选用硬质合金平铣刀，4个刀刃，有涂层，直径10 mm；毛坯材料为45号钢，160 mm×65 mm×80 mm；主轴转速2 100 r/min；进给速度1 000 mm/min；背吃刀量1 mm；侧吃刀量7 mm;有冷却液。

启动软件进行监测，同时启动机床使之执行同一段加工代码。当刀具发生严重磨损时，系统马上警示，如图16所示。

图16 监控提醒界面Fig.16 Alarm interface

从图16可知，在机床的加工过程中，随着刀具状态的变化，所采集的电流信号先升高而后下降，当刀具出现严重磨损，电流幅值明显增大，其电流值会超过警戒线，此时在线监测系统就会进行警示，提示工人更换刀具，以保证加工处于正常状态。同时，平板端的刀具保护系统中对应站号的图标变成红色以表示该工作站异常(绿色图标表示工作站在线且工作正常，灰色则代表该工作站处于离线状态)。点击界面图标可以查看信息，如图17所示。

图17 刀具保护系统通信验证Fig.17 Verification of tool protection system communication

5 结 语

本文提出一种刀具维护保养系统软件的设计方法。该系统由在线监测和保护系统两部分组成，在线监测系统主要是对机床刀具状态进行监测，保护系统主要功能是监控整个局域网中所有的监测系统的工作状态，两系统间可在局域网内实现相互通讯。通过修改机床的PLC程序，实现数控机床与数据采集设备之间的通讯，保证机床的加工数据实时传输到监测设备中。以Qt作为软件开发框架对监测系统进行开发，整个框架由类库驱动、数据处理和用户界面3层组成，分别实现不同功能。利用Android Studio开发刀具维护保养系统，并开发相应的App，最后通过加工试验进行验证。试验结果表明：当刀具磨损严重时，该系统能够及时发出提醒；刀具保护系统也可以及时查看相应监测系统的最新信息。