基于切削次数的FANUC刀具寿命管理

基于切削次数的FANUC刀具寿命管理

闫兴军 

一拖（洛阳）柴油机有限公司  河南省洛阳市   471002

摘要：刀具寿命管理是指刀具使用过程中的管理功能，其是数控机床的重要功能，可用于定期保养、刀具更换，保证切削精度。所以FANUC刀具寿命管理功能在批量加工中得到广泛应用，避免了刀具磨损过大(即刀具寿命到达)导致的工件加工精度差，是确保工件加工精度及稳定性的重要功能。

关键词：切削次数；FANUC；刀具寿命管理

由于FANUC传统刀具寿命是根据主轴交换刀具次数来计数，所以无法自动识别刀具是否参与切削，因此空切削将导致刀具寿命的无效计数，从而使刀具无法达到实际寿命而被更换。基于切削次数的刀具寿命管理是通过比较实时扭矩及空载扭矩的导数与积分来自动识别切削和计算刀具寿命的功能，能有效避免无效计数，从而充分利用刀具。本文详细论述了基于切削次数的FANUC刀具寿命管理。

一、数控机床概述

数控机床是按事先编制好的加工程序，自动加工零件。其特点为：①对加工对象的适应性强，适应模具等产品单件生产的特点，为模具的制造提供了合适的加工方法；②加工精度高，具有稳定的加工质量；③可多坐标联动，能加工形状复杂零件；④加工零件改变时，一般只需更改数控程序，可节省生产准备时间；⑤机床本身精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产率高；⑥机床自动化程度高，能减轻劳动强度；⑦有利于生产管理的现代化。数控机床使用数字信息与标准代码处理、传递信息，使用了计算机控制方法，为计算机辅助设计、制造及管理一体化奠定了基础；⑧对操作人员素质要求高，对维修人员技术要求更高；⑨可靠性高。

二、刀具寿命管理简介

刀具的寿命是指刀具在启用后至无法保证产品精度要求或损坏时得到的数值，经实践验证和现场统计得出，该数值可为加工时间，也可为加工的产品数量。在生产中，很多企业往往因刀具品种繁多、寿命统计复杂及统计不准确等因素，对刀具寿命管理重视不够，无良好的管理方法，只能依靠不断检查刀具使用情况来判断更换刀具的时间，造成大量人工和设备资源的浪费，降低了生产效率。而刀具寿命管理能节约人工，提高产品加工的切削效率，同时降低刀具消耗成本，尤其适用于批量生产、具有多刀具加工及加工复杂工件等情况。

三、FANUC刀具寿命管理功能

FANUC刀具寿命管理功能是把刀具分成若干个组，对每一组内的刀具分别指定刀具寿命值(可使用的时间或次数)，在机床加工过程中，数控系统自动累计各组中被使用的刀具寿命值，并且当某一刀具达到指定的刀具寿命值时，自动在同一组中以预定的顺序选择并使用下一把刀具，但由于每个生产企业的生产情况不尽相同，使用由数控系统厂商提供的刀具寿命管理系统可能会存在一定的局限性，不符合实际生产要求。若企业的机床维护维修人员具备一定的PMC知识，则可对设备已有的刀具寿命管理系统进行改进及完善。

四、刀具寿命管理的实现

1、寿命到达与处理方式。刀具的不同，数控程序对其寿命管理的形式也不同。数控设备上常用的刀具有面铣刀、钻头、精铣刀等，它们到达寿命的特点不同，处理方式也不同。

2、刀具管理的实现方式。数控设备加工产品用的数控程序，普遍都有刀具的信息，如刀具号和补偿号，即T和H代码。例如，使用100mm面铣刀(机夹刀具)，在程序中就会出现如下程序段：

M06；

T01；(规定1号刀为100mm面铣刀)

…………

G00G90G432100H01；(调用长度补偿)

…………

此时，根据加工程序中的换刀动作或长度补偿调用为节点，对刀具的寿命进行控制管理。

五、问题分析

基于次数的刀具寿命计数实际上是基于主轴换刀次数的刀具寿命计数，只要执行M06主轴换刀指令，新刀刀具寿命就计数，无论主轴刀具是否将在日后参与实际加工，这可能会导致无效计数。若能自动识别是否参与切削，且切削一次刀具寿命计一次数，才是一个完善的功能。如何自动识别切削刀具是解决这一问题的关键。

使用ARTIS-CTM扭矩监控系统采集主轴切削期间的负载扭矩，并生成采样图，从图中可观测到，空载时，主轴扭矩采样信号生成近似平行于横轴的直线(BASE LINE基线)，它围绕BASE LINE基线有小幅值变化；在切削过程中，主轴扭矩采样信号生成基线上一条梯形包络线，梯形幅值明显大于空载扭矩曲线，即起始及结束阶段的幅值变化率大。

根据观测结果，可分析出切削扭矩具有以下特征：切削过程中扭矩曲线的起始及结束斜率d(T)/d(t)远大于空载扭矩曲线斜率，切削扭矩曲线的积分面积也大于空载扭矩曲线的积分面积。因此，根据这两个特征，可使用求导法及积分法来确定当前刀具(主轴)是否参与切削。

在FANUC PMC中，窗口功能可用于读取主轴负载信息并预测高速下的干扰扭矩数据。读取主轴负载信息是PMC的基本功能，LOAD(%)=L/32767×，L是读取数据，等于参数No.4127(最大输出时负载表显示值)，而扭矩T、功率P、转速N具有以下关系：T=P×1000/0.1047/N。可推断，读取的数据L与扭矩T成正比，使用L比较不会影响扭矩比较的逻辑判断，另外，读取预测干涉扭矩数据需订购PMC选项功能，因此最好读取主轴负载信息作为比较数据。

六、原理及流程

由于计数对象已更改且采用切削次数计数，因此要关闭M06计数功能。将参数No.6804#6置1，PMC信号G48.2置1，使M06刀具寿命计数功能无效。

为确保稳定准确的扫描周期，PMC程序被放入FLADDER第一级程序中，第一级程序的扫描周期为8ms作为单位时间。

1、读取主轴扭矩(用主轴负载信息替代)。读出的主轴扭矩数据地址放入地址R2020。

2、建立主轴空载扭矩数据表。空切削扭矩曲线是一条往复曲线，围绕BASE LINE有微小变化。为保证比较的准确性，应以其积分再取算数平均值作为比较基准。读取时，还应过滤掉主轴加减速扭矩。

执行O9000程序，并将每个主轴速度下的空载扭矩数据存储在D5000数据表中，作为比较的基准数据。D5000数据表的表内号=主轴转速/100，表容量根据最大主轴速度及读取间隔确定。M91读取主轴负载信息，M92将主轴负载信息写入数据表。数控程序为：

O9000

#1=0

N100#1=#1+100

M03S#1

G04X5.

M91

G04X1.

M92

IF［#1GE#6000］GOTO 200

GOTO 100

N200 M02

测量循环结束后，在PMC内形成主轴速度-空载扭矩数据表。

3、积分法判别是否切削。在切割进给状态下，读取实时扭矩，根据主轴速度从数据表中调取空载扭矩，并比较其积分以确定是否切削。

4、求导法判别是否切削。在切削进给状态下，求导扭矩曲线，单位时间的扭矩导数d(T)/d(t)=Tn－Tn-1。测得的空载扭矩斜率小于100，因此设置比较准R2032=100。为确保判断的准确性，要确认刀具在连续三次Tn－Tn-1＞基准值后进行切削。

5、改写刀具寿命计数值。切削信号激活PMC窗口功能WINDR，读取主轴刀具寿命计数值C，并将C=C+1改写到刀具寿命计数器中。

七、结果与优化

在实际切削中，求导法及积分法对切削的判断更准确；空载时，有时会被误判为切削，这是由空载扭矩波动引起的。修正系数应乘以基准数据，该系数大小取决于主轴形状及结构。修正比较基准数据后，在切削及空载条件下，判断“切削”信号正常。此外，数据长度选取、数据溢出、复位、清零、进给保持和轴互锁时采样信号也需进一步处理。

参考文献：

[1]詹华西.积算加工时间实现数控机床刀具寿命管理[J].制造技术与机床，2016(08).