基于FANUC数控系统的刀具破损检测技术

李云

徐工消防安全装备有限公司 江苏徐州 221000

1 序言

随着智能制造强国战略的实施，应用搬运机器人自动上料、装夹及堆垛，实现工件全过程自动化加工，已经成为行业发展的趋势。实施自动化加工能减少人工干预，保证产品一致性，还能实现一人多机的生产方式，为企业降低了人力成本。自动化加工过程中，刀具可能会出现破损等情况，这时候就需要产线发出报警，提醒管理人员更换刀具。

2 使用雷尼绍TS27R实现刀具破损检测

2.1 机床及对刀仪的基本情况

本例中机床为卧式镗铣加工中心，配置FANUC 0iMF数控系统，带有雷尼绍TS27R接触式对刀仪，使用盘形测针，测针规格为φ12.7mm。在卧式加工中心的工作台旁边安装支架，将对刀仪安装在支架上，这样既能保证对刀仪在机床各轴行程范围之内，又不会影响工件装夹和工作台回转，具体安装位置如图1所示。

图1 TS27R对刀仪在卧式加工中心上的安装位置

2.2 对刀仪的安装及线路连接

为了获得准确的测量数据，对刀仪在安装过程中要尽量使盘形测针的端面与卧式加工中心的XY轴平面平行。如图2所示对刀仪的调节方式，交替调节L1和L2螺钉能够调节测针在前后方向的水平度，交替调节L3和L4螺钉能够调节测针在左右侧方向的水平度，最后将各螺钉锁紧，在主轴上安装千分表，测量盘形测针端面与机床XY轴平面的平行度，保证平行度在0.003mm以内。

图2 对刀仪的调节方式

连接对刀仪的线路前查阅机床电气说明书，本文中的机床通过CB106排线连接I/O模块及转接板，跳转输入信号地址是X4.7，查找到转接板上的对应端子并连接，注意MI8-4电路板上的0V和24V电源线也需连接到转接板的对应端子上面。

2.3 对刀仪的标定及参数设置

TS27R对刀仪在初次使用前，需要使用基准刀具（见图3）进行标定，测量之前先使用ZOLLER对刀仪精确测量基准刀具的刀长及直径等参数，本例中基准刀具的刀长为336.489mm，刀具直径为10.016mm。标定的目的是精确测量盘形测针中心的XY轴机械坐标及上端面的Z轴机械坐标数据。

图3 标定对刀仪所用的基准刀具

接下来需要对以下参数进行设置：将参数3202的NE9位设为0，即数字9开头的程序可以编辑；将参数6200的SKF位设为1，参数6201的SEB位设为1，参数6202的1S1位设为1，使G31跳转代码生效。然后将厂家提供的标准测量循环程序传入数控机床，再将参数3202的NE9位设为1，使数字9开头的程序进入写保护状态。

在手轮模式下，将基准刀具移动到对刀仪盘形测针以上10mm的位置，然后在AUTO模式下调用09070程序。

上述09070程序调用了09855测量子程序，#2297的数值是基准刀具的长度，R10.016是基准刀具的直径，D12.7是盘形测针的直径。

P9855标定程序内容（针对雷尼绍公司提供的程序进行了简化处理，根据其测量原理编写标定程序，便于读者理解相关内容）。

执行完上述标定程序后，在M D I模式下点击OFFSET—用户宏程序，就能查看标定程序测量出的变量数据，如图4所示。

图4 标定程序测量出的变量值

图4中参数#520是盘形测针上端面的Z轴机械坐标；参数#521与#522求和，然后除以2的数值，就是盘形测针轴线所在的的X轴机械坐标；参数#523与#524求和，然后除以2的数值，就是盘形测针轴线所在的的Y轴机械坐标；参数#526是动态测量误差，参数#527是静态测量误差。通过上述步骤，完成对刀仪的标定。

2.4 刀具破损检测

在进行刀具破损检测之前，先将该刀具的实际直径及长度值，储存在数控机床中，一般情况下，在刀具执行加工程序后进行检测，可以在程序末尾增加以下代码。

上述程序中H0.5指刀具破损判断公差值，该程序会自动对比对刀仪测量出的刀具长度，并与寄存在系统里的刀具长度进行对比，如果超过这个公差0.5mm，则产生报警，提醒操作人员更换刀具。如果测量的是端铣刀，则需要将上述程序改为G65 P9858 T1 Dd H0.5，上述Dd代表端铣刀的直径。由于P9858子程序测量的原理与标定程序的测量原理相同，这里不再赘述。

2.5 其他注意事项

根据对刀仪实际安装的方向和测针测量方向，设置#104和#103这两个参数，本例中对刀仪的安装方向如图5所示。

图5 TS27R对刀仪的安装方向

查阅相关资料[1]，设置程序09750设置参数#104数值为2。为了避免X轴移动超出行程范围，选择从图5的方向②进刀测量，所以此处设置参数#103数值为－1。除此之外，还需设置以下参数：#111指刀具直径如果大于该参数，则执行单边测量；#138是最大刀具长度；#139是最小刀具长度；#102是4列刀补（该参数根据FANUC 0iMF系统的实际情况进行设置）。

3 刀具破损检测

上面介绍了使用雷尼绍TS27R对刀仪进行刀具破损检测的方法，此方法操作和编程较简单，但需要增加TS27R对刀仪等硬件设施，提高了项目实施成本。接下来介绍另外一种方法，利用FANUC数控系统自带的主轴电动机负载监控功能，检测刀具是否出现破损。

机床在切削过程中刀具如果出现破损，主轴电动机负载率会出现变化。主轴电动机负载率可以用PMC窗口功能将数据提取出来并写进R地址内，这种方法要求数控机床能够与上位机互联互通，上位机可以通过PLC点位法采集主轴电动机负载率等数据，并进行对比分析。如果主轴电动机负载率数据异常，则发出报警，提示操作人员更换刀具[2，3]。

3.1 主轴电动机负载率读取PMC程序使用的参数地址

使用PMC窗口功能读取当前主轴的负载量，读取主轴电动机负载率的PMC窗口功能代码是153，首地址为D1070，本例把最终数据赋值到R1212～R1213中，便于上位机读取。主轴电动机负载率读取用到的控制数据见表1。

表1 主轴电动机负载率读取用到的控制数据

3.2 主轴电动机负载率读取PMC程序设计

实现主轴电动机负载检测的PMC程序如图6所示，可以将其设计成一个子程序，在二级主程序中进行调用即可。

查阅FANUC系统PMC编程手册，主轴电动机负载率Load（%）＝（L/32767）λ，式中Load（%）是主轴电动机负载率；L是PMC窗口功能从数控系统中读出的数值，本例中该数值被存放在D1052里面；λ是系统参数4127的数值。本例所用的机床，参数4127的数值为143（注意机床不同，该参数设置也不相同）[4]。

由于部分工序，例如攻螺纹时主轴电动机的负载率较低，读取出的负载率是非常小的数值，会出现R1212～R1213地址（16位二进制数据）里的数据都是0的情况，不便于上位机读取数据，这里将主轴电动机负载率放大100倍，上位机读取到数据后，再将其缩小100倍，这样就能反映真实的加工情况。因此在图6所示的PMC程序中，主轴电动机负载率按公式Load（%）＝(14300L)/32767进行读取，最终将主轴电动机负载率写入R1212～R1213里面。

图6 主轴电动机负载检测PMC梯形图

3.3 主轴电动机负载率数据显示及相关试验

按图6程序修改机床上的梯形图，使用丝锥加工M6螺纹孔，观察其主轴电动机负载率，在M6螺纹孔加工过程中，按SYSTEM键，查看PMC信号状态， 地址R1212的数据是00101101，R1213的数据是00000001，由于R1212占低八位，R1213占高八位，最终的读数是0000000100101101，将其转化十进制数为301。根据上文所述，为了方便上位机读取数据，将主轴电动机负载率放大了100倍，所以M6螺纹孔加工过程中真实的主轴电动机负载率为3.01%，符合实际情况。

使用上位机读取地址R1212～R1213的数值，将其转化为二进制数并缩小100倍，就是真实的主轴电动机负载率。然后上位机再对主轴电动机负载率进行监控，如果发现该数值异常，就发出报警，提示操作人员更换刀具，这样就达到了刀具破损检测的目的。

本文案例上位机采集数据的方法是P L C点位法，这种方法的优点是不受数控系统通信协议的限制，操作较简单，但需要使用C#等语言编写上位机程序。

4 结束语

本文针对刀具破损检测，介绍了雷尼绍TS27R对刀仪和主轴电动机负载检测这两种方法，从硬件和软件两个方面提出了解决方案，解决了自动化生产线加工过程中刀具破损的问题，帮助读者掌握相关技术。