呂成偉

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伺服電動機扭矩監(jiān)控在刀具檢測中的應(yīng)用

呂成偉

（北京福田康明斯發(fā)動機有限公司，北京 102206）

隨著機床在線檢測技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了很多機床刀具的磨損和斷裂的檢測方法，對于一些沒有斷刀檢測報警的組合機床，以及一些受空間限制的機床改造，無法新增斷刀檢測后報警的功能，因此提出了采用對伺服電動機的扭矩監(jiān)控，同時通過PLC程序來實現(xiàn)對刀具狀態(tài)的在線檢測和報警。此應(yīng)用具有模塊化、成本低、應(yīng)用范圍廣的特點；無需對機床硬件進行任何改動，也可以配合其他的刀具在線檢測方法同時使用，更準確地檢測出刀具狀態(tài)的變化。

PLC；斷刀檢測；伺服電動機；扭矩監(jiān)控

組合機床大部分采用多個軸、多把刀、多道工序、多個面或多個工位同時加工的方式，生產(chǎn)效率與通用機床相比高出很多。同時可以根據(jù)工藝需求靈活制造和配置，制造的周期也很短。因此，組合機床的優(yōu)點是高效率柔性強，在批量生產(chǎn)上應(yīng)用非常廣泛。本文以一種加工發(fā)動機缸蓋的組合機床設(shè)備為例，機床的主要工藝是加工進排氣面和座圈孔，設(shè)備采用西門子S7-317 PLC核心控制，通過Profibus通信連接西門子611U伺服驅(qū)動模塊，使用西門子MP277觸摸屏和兩個可移動的觸摸屏來顯示機床和工件的信息以及進行手動操作。機床共有19個在線傳送工位，安裝有16個自動機械加工工位和3個空工位，安裝兩個工件90°旋轉(zhuǎn)工位和一個燃燒室端面自動測量工位，設(shè)備通過與自動傳送桿連接實現(xiàn)自動傳送工件。

圖1 缸蓋組合機床布局圖

1 現(xiàn)有組合機床刀具在線檢測的原理

刀具在線檢測的方法很多，主要的方法有功率檢測、學(xué)習(xí)模式、力檢測、聲發(fā)射檢測等[1-2]。圖1所示設(shè)備布局中的Stations 3-4L、6-7L、9-10L是具有利用冷卻液的流量和壓力來進行斷刀檢測的系統(tǒng)。圖2通過高壓冷卻液在刀具中的流量和壓力，來判斷刀具是否正?；蛘呤艿綋p害，每個流量開關(guān)和壓力開關(guān)都安裝在冷卻液到達刀具之前，并設(shè)置一個冷卻液通過刀具的流量和壓力范圍，當(dāng)?shù)毒邠p壞或內(nèi)部冷卻堵塞時，通過刀具的冷卻液的流量或壓力就會超出設(shè)置的極限范圍，觸發(fā)設(shè)備停機報警，并在HMI屏幕上顯示報警信息。

圖2 工位部分冷卻系統(tǒng)

2 刀檢主要問題以及改造方案的確定

2.1 機床通過內(nèi)冷在線檢測刀具存在的問題

刀具的在線檢測技術(shù)，不僅能降低成本，提高加工時生產(chǎn)效率，而且對于產(chǎn)品優(yōu)化組合、減少設(shè)備的故障率都會起到很大的作用[3-6]。本文設(shè)備使用刀具內(nèi)部的冷卻管路，從刀身到刀尖是由粗到細變化的，機床通過冷卻液的流量和壓力來在線檢測刀具是否斷刀和損壞，主要存在以下問題：

1）在加工工件過程中，當(dāng)?shù)毒邚牡都馓帞嗔褧r，由于刀尖處的冷卻管路的孔很細，所以有時對冷卻管路的流量和壓力影響不大，沒有超出設(shè)置的極限范圍，即機床不會觸發(fā)停機報警，后果造成大批量的工件加工不合格，甚至報廢，對經(jīng)濟效益產(chǎn)生極大的影響。

2）如果冷卻液中有雜質(zhì)堵塞冷卻管路，如鐵屑、油泥等，冷卻管路流量和壓力就會產(chǎn)生波動，有可能會超出流量和壓力的設(shè)置范圍，即機床觸發(fā)停機報警，后果造成機床誤報警，增加停機和維修時間，對生產(chǎn)效率產(chǎn)生影響。

以上兩種情況在實際生產(chǎn)中產(chǎn)生的后果很嚴重，而且已經(jīng)不止一次發(fā)生，故必須采取相應(yīng)的 措施。

2.2 改造方案的確定

根據(jù)刀具檢測在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用經(jīng)驗，最初提出了以下幾個參考方案。

1）在機床需要刀檢的工位上增加檢測刀具長度的感應(yīng)開關(guān)。

2）在機床需要刀檢的工位上增加檢測刀尖位置的光電開關(guān)。

3）在機床需要刀檢的工位上增加其他廠家的斷刀檢測器。

4）在機床的空工位增加檢測缸蓋加工之后的相應(yīng)孔是否合格的機構(gòu)。

5）使用Artis刀具在線監(jiān)控系統(tǒng)。

考慮到設(shè)備內(nèi)潮濕、安裝空間不足、改造成本和時間、改造風(fēng)險等原因，以上均不是最可行的方案，最終提出是否可以不增加任何檢測機構(gòu)，只在軟件或程序上改動，來實現(xiàn)在線斷刀檢測的方案。

經(jīng)過以上的分析，切削加工過程中刀具所受的負載力有很多影響因素，根據(jù)刀具在線檢測的方式，主軸轉(zhuǎn)速、切削深度、進給速度、加工材料4個因素的影響比較大，但在機床的實際加工過程中，刀具主軸轉(zhuǎn)速、切削深度、進給速度、加工材料這4個因素都是不變的，推測出刀具在加工過程中所受到的負載力，隨著進給的增加，應(yīng)該是一個線性變化的曲線，因此可以通過檢測刀具電動機的扭矩變化情況，建立進給伺服電動機位置與電動機扭矩的關(guān)系式，根據(jù)電動機反饋的受力情況來判斷刀具是否斷 裂[7]。刀具的進給電動機是由伺服電動機來控制，因此通過Profibus通信可以將伺服電動機的位置和扭矩傳送給PLC，再通過PLC的運算和邏輯，來實現(xiàn)扭矩出現(xiàn)異常時報警顯示。

此方法雖然是通過伺服電動機的扭矩值間接測量刀具的狀態(tài)，但是只需要更改PLC程序即可，不受設(shè)備工況，安裝空間的影響，而且節(jié)省了改造成本和時間。

3 系統(tǒng)改造的實施過程

3.1 數(shù)據(jù)采集

通過數(shù)據(jù)采集的方法來確定伺服電動機的位置值與扭矩值的關(guān)系式。采樣方式使用西門子STEP7軟件工具，監(jiān)控實時的伺服電動機的位置值與扭矩值的對應(yīng)關(guān)系，采樣頻率為1mm。

在正常加工工件時，西門子伺服控制模塊與PLC使用Profibus通信，將伺服電動機的位置值和扭矩值傳送至PLC程序的數(shù)據(jù)塊中，圖3通過監(jiān)控PLC程序中的數(shù)據(jù)塊，采集611U驅(qū)動模塊中工進伺服電動機位置值和在此位置的扭矩值，并記錄。由于伺服電動機的位置值和扭矩值不斷變化，所以采用軟件截屏的方式，來確定伺服電動機某位置值所對應(yīng)的扭矩值。刀具加工進給的總行程為64.5mm，設(shè)定采樣頻率為1mm，即保證伺服電動機每進給1mm的區(qū)間內(nèi)均采集一個相應(yīng)位置的電動機扭矩值，共采集65個數(shù)據(jù)樣本。

圖3 使用西門子軟件監(jiān)控伺服電動機位置與扭矩值

3.2 數(shù)據(jù)分析

首先，將刀具的加工過程按受力情況分為4個區(qū)間，并通過圖紙計算出電動機在相應(yīng)的臨界位置值，伺服電動機原點位置值POS=22700。

第一區(qū)間：POS=22700～12500刀具與工件無接觸，力矩穩(wěn)定。

第二區(qū)間：POS=12500～8000刀具剛與工件接觸，力矩上升。

第三區(qū)間：POS=8000～-36750刀具加工工件，力矩線性變化。

第四區(qū)間：POS=-36750～-41800刀具加工完成工件，準備退刀。

然后，根據(jù)在線采集出的數(shù)據(jù)樣本進行分析，將橫坐標軸（POS軸）設(shè)定為伺服電動機的位置值，將縱坐標軸（TOR軸）設(shè)定為伺服電動機的扭矩值，可以繪制出圖4，即進給電動機的不同位置與所受扭矩之間關(guān)系的散點圖曲線。

圖4 伺服電動機扭矩與加工位置的散點圖

經(jīng)過以上分析，監(jiān)控刀具在不同位置的受力的情況可以通過伺服電動機扭矩的變化來反映，而且由于在第一區(qū)間內(nèi)刀具并沒有與工件接觸，在第四區(qū)間內(nèi)刀具已加工完成工件，而斷刀都是發(fā)生在刀具沒有加工完成時，因此只需要在刀具與工件接觸的第二區(qū)間和第三區(qū)間來進行分析，第二區(qū)間為刀具受力上升的區(qū)間，電動機受到扭矩的應(yīng)為平穩(wěn)上升，因此，第二區(qū)間的最大扭矩只要不超過第三區(qū)間平穩(wěn)加工時的扭矩范圍即可；第三區(qū)間為刀具受力平穩(wěn)的加工過程，根據(jù)伺服電動機的扭矩與位置近似呈的線性變化，可得出近似線性方程如式（1）所示，第三區(qū)間伺服電動機扭矩與加工位置的散點圖如圖5所示。

曲線近似方程為

y= -0.0027x+1319R2=0.7832

式中，為伺服電動機扭矩，為加工位置，2為回歸系數(shù)，2趨近于1曲線的擬合程度越好。其中-36750＜＜8000，當(dāng)=-36750時，=1418.225為最大值。

3.3 PLC和觸摸屏的更改

使用SIEMENS的PLC軟件STEP7 對程序進行更改，在原有項目中增加一個功能塊FC300，命名為FC_Tool_Inspect；數(shù)據(jù)塊DB300，命名為DB_Tool_Inspect。在程序塊FC300中編寫如下程序段，如圖6所示。

由于不同刀具最大扭矩的設(shè)定值可能會有差異，所以為了增強不同刀具監(jiān)控設(shè)定值的可操作性，圖7在觸摸屏操作面板上增加一個刀具信息頁面，來實現(xiàn)在線斷刀檢測的可視化和易操作性。

圖7 觸摸屏刀具信息頁面

4 實驗過程與驗證

設(shè)備連續(xù)正常加工10件工件，將觸摸屏監(jiān)控扭矩的最大值設(shè)定為1300N·m，加工過程中設(shè)備出現(xiàn)報警提示，等待其他所有工位加工完成時，設(shè)備停止運轉(zhuǎn)，操作人員確認檢查刀具狀態(tài)。斷刀操作需要操作人員更換刀具，如果刀具狀態(tài)正常，就需要檢查監(jiān)控扭矩的最大值設(shè)定是否合理。

更改觸摸屏監(jiān)控扭矩的最大值設(shè)定值為1500N·m，通過監(jiān)控STEP7軟件數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)加工每件時的實際最大扭矩均未超過扭矩設(shè)定的最大值，設(shè)備正常運轉(zhuǎn)無斷刀檢測報警。檢測加工完成后的工件尺寸合格，并做到定期抽檢。

每次換刀后可能對扭矩的最大值有一些影響，為了降低誤判率，每次換刀后加工的首件需要監(jiān)控實際最大扭矩是否超過了之前的設(shè)定值，根據(jù)實際扭矩值調(diào)整設(shè)定的最大扭矩值。

5 誤判和風(fēng)險

此方法是在設(shè)備改造空間有限，同時不增加任何硬件的的條件下，通過伺服電動機的反饋數(shù)據(jù)間接地檢測刀具狀態(tài)，因此會存在一定的誤判率和風(fēng)險。

由于電動機的扭矩過大原因不僅僅是刀具狀態(tài)引起的，當(dāng)電動機本身發(fā)生故障或者設(shè)備出現(xiàn)機械故障時，均可導(dǎo)致設(shè)備的報警停機，造成檢測的誤判。同時，監(jiān)控最大扭矩的設(shè)定值是通過實驗后的經(jīng)驗所得，若人為設(shè)定的值偏小，則也會導(dǎo)致誤判的風(fēng)險存在。為了將人為因素導(dǎo)致的誤判率降到最低，在HMI的設(shè)定刀具監(jiān)控界面上可增加訪問操作的權(quán)限，只有特點授權(quán)人員可以進行更改。

雖然使用此方法后設(shè)備的誤判率會有所上升，但是成本比較低，產(chǎn)生誤判時均會造成設(shè)備的停機，必須操作人員確認刀具的狀態(tài)，這樣避免了批量廢品的產(chǎn)生，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。

6 結(jié)論

本文根據(jù)從實驗得到的數(shù)據(jù)進行分析和統(tǒng)計，按照誤差最小的原則，歸納出變量之間的數(shù)學(xué)表達式的方法，也稱做經(jīng)驗建模，應(yīng)用到刀具在線檢測中，對機床斷刀的檢測雖然有一定的誤判風(fēng)險，但為了避免批量廢品的產(chǎn)生還是可行的，同時實現(xiàn)了刀具檢測的可視化和可調(diào)整性，從而提高了生產(chǎn)效率，降低了設(shè)備的改造成本，此方法也可以與其他刀具在線檢測設(shè)備儀器同時使用。

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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

呂成偉（1982-），男，主任工程師，從事設(shè)備電氣維修改造工作。