耿欣，顧紅光

(1.沈陽工學(xué)院信息與控制學(xué)院，遼寧撫順113122;2.沈陽機(jī)床成套設(shè)備有限責(zé)任公司技術(shù)部，遼寧沈陽 110142)

當(dāng)今數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化程度非常高，尤其是自動(dòng)生產(chǎn)線上的加工機(jī)床，基本用很少的人員來維護(hù)生產(chǎn)線的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，所以數(shù)控機(jī)床的可靠性就尤為重要。如果故障率太高，就需要增加人員，同時(shí)嚴(yán)重影響機(jī)床加工效率。在機(jī)床的故障中，刀具斷裂是主要故障之一，同時(shí)也是對(duì)機(jī)床及工件損壞最大的故障之一。刀具斷裂會(huì)造成工件未加工或未加工完全，很可能會(huì)對(duì)后面的刀具造成損壞，如果通過機(jī)械手流到下工序之后很可能對(duì)下一工序的機(jī)床造成二次傷害。刀具斷裂的檢測(cè)一般都會(huì)浪費(fèi)加工節(jié)拍，尤其在用到刀庫的機(jī)床，由于刀具較多，需要進(jìn)行刀具斷裂檢測(cè)花費(fèi)時(shí)間更長。文中介紹一種新型位移傳感器，可以用來檢測(cè)刀具斷裂，基本上不占用機(jī)床加工節(jié)拍，同時(shí)能盡量多地檢測(cè)刀具數(shù)量。

1 正常刀具斷裂檢測(cè)的方法

當(dāng)今機(jī)床上的刀具斷裂檢測(cè)主要以下面兩種方案為主:

一種是應(yīng)用觸點(diǎn)式傳感器進(jìn)行檢測(cè)，把觸點(diǎn)式傳感器固定在機(jī)床加工區(qū)某一位置，加工時(shí)，刀具先快速移動(dòng)到傳感器前，然后減速向前一小段位移，如果傳感器發(fā)出信號(hào)則視為刀具正常，反之刀具斷裂。

另一種是應(yīng)用對(duì)射傳感器，即兩個(gè)紅外線傳感器，一端發(fā)射光源，另一端接收光源。把兩個(gè)傳感器分別安在加工區(qū)的兩個(gè)固定位置，加工時(shí)，刀具快速移動(dòng)到傳感器發(fā)射光源區(qū)域，如傳感器反饋回信號(hào)，說明刀具正常，反之刀具斷裂。

這兩種方案中，如果檢測(cè)刀具多的話，第一種方案大大影響加工節(jié)拍，因?yàn)榻佑|式的有一個(gè)減速接觸的過程，刀具多了會(huì)嚴(yán)重影響加工效率。第二種方案中，因?yàn)榧t外線傳感器安裝在加工區(qū)，所以易被加工的冷卻液及油霧污染，由于發(fā)光體表面被油霧污染之后很容易阻擋光線發(fā)射接收，造成誤報(bào)警或功能失效;如果安裝位置遠(yuǎn)離加工區(qū)，則每次檢測(cè)時(shí)刀具移動(dòng)距離過遠(yuǎn)，影響加工節(jié)拍。

從以上分析來看，如需要檢測(cè)斷裂的刀具較少可用接觸式傳感器檢測(cè);如果加工中沒有冷卻液和油霧等可用紅外線傳感器進(jìn)行檢測(cè);當(dāng)需要檢測(cè)的刀具較多且加工時(shí)有冷卻液或油霧的存在，則以上兩種檢測(cè)方法均不適宜應(yīng)用。

2 多通道位移傳感器介紹

多通道位移傳感器由傳感器體及傳感器頭組成，如圖1所示。

圖1 多通道位移傳感器實(shí)物圖

在使用過程中，傳感器體安裝在機(jī)床面板上或電氣柜內(nèi)，傳感器頭安裝在靠近刀具檢測(cè)的位置上，傳感器體與傳感器頭通過光纜連接。傳感器體控制傳感器頭發(fā)射激光，把檢測(cè)刀具置于傳感器頭發(fā)射的激光范圍內(nèi)，傳感器頭將反射回的光線反饋到傳感器體，傳感器體會(huì)檢測(cè)發(fā)光點(diǎn)到反射光點(diǎn)的距離，從而判定刀具是否斷裂。不同型號(hào)的傳感器發(fā)射光線的距離不同，可根據(jù)所需檢測(cè)的最長刀具與最短刀具的距離來選定傳感器型號(hào)。同時(shí)，此傳感器可設(shè)定為4通道檢測(cè)模式，即每個(gè)通道設(shè)置一組位移值，共可存儲(chǔ)4組位移值，即可檢測(cè)4種不同長度的刀具。在使用時(shí)先分別采集4種刀具的刀尖距離傳感器頭表面的位移值，分別存儲(chǔ)在各自的通道內(nèi)，當(dāng)檢測(cè)時(shí)先通過數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出不同的指令來激活不同的通道對(duì)不同的刀具進(jìn)行檢測(cè)。

3 多通道位移傳感器接線圖及電路控制圖

多通道位移傳感器的接線圖如圖2所示。

圖2 多通道位移傳感器接線功能圖

其中包括電源供電線、高出或低于存儲(chǔ)位移值范圍內(nèi)的判定輸出、在設(shè)定范圍允許內(nèi)的判定輸出、模擬輸出 (此應(yīng)用未用到)、4個(gè)外部輸入。其中4個(gè)外部輸入中1未用，2、4一起組成4個(gè)通道的選擇，3為激光生效控制。高低判定輸出分別是對(duì)應(yīng)于實(shí)際測(cè)量值高于或低于存儲(chǔ)值，因此應(yīng)用為刀具斷裂檢測(cè)，所以只用高判斷輸出，即刀具斷裂之后檢測(cè)的刀具與發(fā)光點(diǎn)的位移肯定大于存儲(chǔ)值。另外在刀具加工過程中肯定有磨損現(xiàn)象，所以在設(shè)定允許范圍內(nèi)應(yīng)將實(shí)際刀具磨損量考慮到其中。

具體控制電路圖如圖3所示。

圖3 多通道位移傳感器與PLC連接電路圖

4 多通道位移傳感器安裝與應(yīng)用

根據(jù)此傳感器在同一位置可以測(cè)量多把不同長度刀具的特點(diǎn)，可以用在有刀庫的機(jī)床中。在有刀庫的機(jī)床中，為了節(jié)約加工時(shí)間，都是在機(jī)床正常加工過程中同時(shí)把下一把需要用的刀具預(yù)選出來?？梢愿鶕?jù)這個(gè)特點(diǎn)把傳感器安裝在刀庫選刀處，通過一個(gè)氣缸擺動(dòng)裝置，當(dāng)需要測(cè)量時(shí)把傳感器伸出進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)測(cè)量完畢再退回。因?yàn)槭欠羌庸^(qū)域，所以避免了冷卻液等油霧污染，同時(shí)在機(jī)床加工過程中進(jìn)行測(cè)量又對(duì)機(jī)床的加工節(jié)拍沒有影響。

在應(yīng)用過程中，當(dāng)備選的刀具需要進(jìn)行刀具檢測(cè)時(shí)，在加工程序中直接編寫一指定的M碼對(duì)應(yīng)某一特定的刀具就可直接進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)測(cè)量后判斷輸出正常則刀具正?？梢赃M(jìn)行加工，當(dāng)高判斷輸出時(shí)則表明此刀具斷裂不能進(jìn)行繼續(xù)加工。

使用前，先把要測(cè)量的刀具進(jìn)行分類排序定義，如應(yīng)用一個(gè)傳感器則把刀庫上被測(cè)量的刀具按長短分成4組或少于4組。然后對(duì)應(yīng)不同的刀具分別激活不同的通道，把當(dāng)前的位移值存儲(chǔ)到傳感器中。通過傳感器體上的設(shè)置鍵進(jìn)行高判定輸出值及正常判定范圍輸出值設(shè)定。

5 多通道位移傳感器PLC程序控制

通過給外部輸入2、4賦值來進(jìn)行4個(gè)通道的選擇，這里把2、4定義成A、B通道。當(dāng)A、B分別為0、0，0、1，1、0，1、1時(shí)，對(duì)應(yīng)1、2、3、4四個(gè)通道。當(dāng)3為1時(shí)即激光生效，開始進(jìn)行測(cè)量。在控制中，分別用4個(gè)M碼指令啟動(dòng)4個(gè)通道，在加工程序中，當(dāng)需要檢測(cè)某把刀具時(shí)，就用指定的M碼進(jìn)行檢測(cè)。

在實(shí)際調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)正常判定輸出后把激光生效Q47.3及通道控制Q47.2、Q47.4信號(hào)同時(shí)復(fù)位掉之后，有時(shí)候會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)激光生效信號(hào)與通道控制信號(hào)不能完全同步消失，當(dāng)通道控制信號(hào)比激光生效信號(hào)先復(fù)位掉時(shí)，由于通道信號(hào)復(fù)位之后變成0、0，這個(gè)組合為1通道刀具檢測(cè)通道，而此時(shí)激光生效信號(hào)還沒有復(fù)位，此時(shí)系統(tǒng)認(rèn)為現(xiàn)在檢測(cè)1通道刀具斷裂，如果當(dāng)前刀具沒有1通道的刀具長就會(huì)發(fā)生報(bào)警。所以，在下面的程序的處理中，當(dāng)正常判定輸出后先復(fù)位掉激光生效信號(hào)Q47.3，通過此信號(hào)在復(fù)位通道生效信號(hào)，如:程序Net work 15、Net work 16所示。

具體PLC程序控制部分如下所示:

6 結(jié)束語

此傳感器的應(yīng)用解決了刀具檢測(cè)浪費(fèi)機(jī)床加工節(jié)拍的問題，同時(shí)傳感器安裝在遠(yuǎn)離加工區(qū)域內(nèi)避免了油霧污染傳感器而產(chǎn)生的誤報(bào)警等現(xiàn)象。在備選刀處檢測(cè)而不是在換刀之后檢測(cè)，避免了不同的刀具運(yùn)動(dòng)到不同的坐標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，從而簡化了加工程序。此傳感器能同時(shí)檢測(cè)4種不同長度的刀具，如果加工中需要檢測(cè)的刀具長度多于4種，就需要增加多通道傳感器的數(shù)量。

［1］KEYENCE CMOS多功能模擬激光傳感器IL系列用戶手冊(cè)［M］.

［2］西門子(中國)有限公司STEP 7 V5.2 編程手冊(cè)［M］，2003.