在切削過程中，由于機(jī)械摩擦和熱效應(yīng)等作用，刀具會產(chǎn)生磨損，這種磨損少則使刀具的幾何形狀受到改變，大則使刀具刃口燒壞，甚至崩落。當(dāng)磨損到一定程度時(shí)必須重磨，否則將影響工件的尺寸精度和表面粗糙度，降低產(chǎn)品質(zhì)量，甚至報(bào)廢。而對于尚能切削的刀具，若磨刀過于頻繁，又使機(jī)床生產(chǎn)率降低、刀具材料的消耗加劇、勞動生產(chǎn)率下降，生產(chǎn)成本增加。為此，機(jī)床操作工人必須在切削過程中，不斷地對刀具的磨損加以監(jiān)視，及時(shí)換刀、磨刀，才能克服上述弊病。這對于一人看管多臺自動化機(jī)床操作的工人來說，要求是很苛刻的。

當(dāng)前，靠人工監(jiān)視刀具的磨損已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)自動化機(jī)床及自動化程度日益提高的要求，實(shí)現(xiàn)刀具磨損的自動監(jiān)控是完善機(jī)床自動化、實(shí)現(xiàn)無人化必不可少的重要部分。國外對此已進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，日本、德國、美國、英國、荷蘭等國已把刀具磨損的自動監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。
據(jù)國外資料介紹，在加工中直接和間接檢測刀具磨損的方法多達(dá)數(shù)十種。近年來，我們對刀具磨損自動監(jiān)控的功率檢測法及主軸軸向力檢測法等進(jìn)行了試驗(yàn)研究，已研制出功率監(jiān)控保護(hù)裝置——電腦功率監(jiān)控器，現(xiàn)已廣泛地投入使用。
1 功率監(jiān)控原理
本功率監(jiān)控裝置是運(yùn)用電動機(jī)的功率檢測法原理工作的。即當(dāng)機(jī)床進(jìn)行切削時(shí)，隨著刀具的磨損，機(jī)床主軸電動機(jī)的負(fù)荷及其電流，電壓與電流間的相位置角將發(fā)生變化，導(dǎo)致功率改變。利用這一變化規(guī)律可實(shí)現(xiàn)對刀具磨損折斷的微機(jī)動態(tài)在線自動監(jiān)控。當(dāng)功率改變到一定數(shù)值時(shí)(即刀具磨損到應(yīng)重磨的程度)，自動檢測監(jiān)控裝置發(fā)出報(bào)警信號，刀架自動退出，機(jī)床自動停止運(yùn)轉(zhuǎn)，操作工人即可及時(shí)換刀、磨刀和排除故障。
本系統(tǒng)還可通過監(jiān)控電動機(jī)功率來間接監(jiān)控主軸扭矩的大小，達(dá)到定扭矩監(jiān)控。圖1是本裝置的電氣原理方框圖。工作原理如下：

圖1 監(jiān)控裝置電氣原理圖
經(jīng)過機(jī)床主驅(qū)動電動機(jī)的由電流傳感器、電壓傳感器檢出電流、電壓信號，經(jīng)低通濾波器后分別進(jìn)行波形變換、整形，獲得兩個(gè)可調(diào)節(jié)的方波脈沖和直流電平信號。兩個(gè)方波和直流信號送入到單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字量信號，經(jīng)過單片機(jī)的CPU進(jìn)行比較，得到電機(jī)的功率值，再與預(yù)定的功率閾值進(jìn)行比較達(dá)到自動監(jiān)控。功率的檢測是通過單片機(jī)進(jìn)行動態(tài)采樣運(yùn)算，用熒光數(shù)碼管顯示出所檢出的功率值。另一路輸出控制電路、延時(shí)器，報(bào)警器、停機(jī)控制電路發(fā)出刀具磨損報(bào)警信號并使機(jī)床自動停止運(yùn)轉(zhuǎn)。對于不同的刀具、工件材料以及切削用量參數(shù)，可以靠預(yù)定值撥碼來加以設(shè)定。在自動化機(jī)床、自動線上加工一批工件時(shí)，往往使用確定的工件材料、刀具和切削用量，所以只要在試切削時(shí)調(diào)整好上述參數(shù)，就能在以后的加工中確保刀具磨損時(shí)自動報(bào)警和停機(jī)。
2 電機(jī)功率檢測的監(jiān)控處理
電機(jī)功率是通過電流傳感器、電壓傳感器經(jīng)過單片機(jī)檢測運(yùn)算得出電機(jī)的輸入功率，是各種損耗功率與切削功率之和。
PL＝Pf+Pc
式中 PL——電機(jī)輸入功率
Pf——各種損耗功率總和
Pc——切削功率、包括切削狀態(tài)各種信息
Pf＝Pi+Pa
Pi——空載損耗功率
Pa——與負(fù)載有關(guān)的附加損耗功率
Pa＝a·Pc
a——損耗功率系數(shù)
則
PL＝Pi+(1+a)Pc
通常在刀具鉆頭磨損中是基于(1+a)×Pc進(jìn)行處理的。大量試驗(yàn)證明，Pi在切削過程中是緩慢波動的，尤其是機(jī)床達(dá)到穩(wěn)定切削狀態(tài)之前(開機(jī)空載預(yù)熱2h或加載切削40min，機(jī)床進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài))，波幅可達(dá)±20%，這樣計(jì)算Pc時(shí)Pi必須實(shí)時(shí)檢測。研究表明依賴于動力傳遞路線和機(jī)床潤滑狀態(tài)，也在一定的范圍內(nèi)變化，通常可以對其有限變化略去不計(jì)。對功率數(shù)據(jù)的檢測監(jiān)控是基于凈切削功率值時(shí)進(jìn)行的。
根據(jù)刀具常規(guī)磨損曲線可知。如果在刀具的有效壽命內(nèi)保持恒定的切削參數(shù)，那么整個(gè)切削過程的凈功率值曲線(如圖2)與刀具磨損曲線是一致的，如果中途改變切削參數(shù)(如圖3)就會引起功率信號幅值變化，給磨損監(jiān)控帶來干擾。

圖2 凈功率值曲線
圖3 切削參數(shù)發(fā)生變化的切削過程功率曲線
在圖3中，A點(diǎn)是切削起始點(diǎn)(以切削參數(shù)①開始切削)；B點(diǎn)切削參數(shù)從①變化到②；C點(diǎn)切削參數(shù)從②變化至③。
有：
DP21=P+B-P-B
DP32=P+C-P-C
式中 P+B——切削參數(shù)②下初始點(diǎn)功率值
P-B——切削參數(shù)①下終點(diǎn)功率值
P+C——切削參數(shù)③下初始點(diǎn)功率值
P-C——切削參數(shù)②下終點(diǎn)功率值
DP21、DP32——切削參數(shù)變化時(shí)的功率突變值
實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)，P+B、P-B、P+C、P-C均取為若干點(diǎn)平均值。
在切削參數(shù)不變的情況下，經(jīng)過一定的時(shí)間，當(dāng)?shù)毒叩哪p功率達(dá)到預(yù)定的功率值時(shí)，就可進(jìn)行檢測來判斷刀具的是否磨損；如果切削參數(shù)改變，則預(yù)定的功率值就得在此種切削參數(shù)下進(jìn)行試驗(yàn)，得到所需的功率值。
3 實(shí)際應(yīng)用
南京依威柯汽車有限公司的曲軸斜油孔加工機(jī)床上采用了電腦功率監(jiān)控器保護(hù)鉆頭。該機(jī)床電控系統(tǒng)采用德國西門子公司生產(chǎn)的工業(yè)PLC為主控制單元。將電腦功率監(jiān)控器的輸出信號接入PLC的輸入端，用軟件即可實(shí)現(xiàn)其控制功能。該機(jī)床采用監(jiān)控器來實(shí)現(xiàn)刀具過扭矩保護(hù)，監(jiān)控器檢測主軸電機(jī)功率值，主軸電機(jī)型號為Y90L-6B5，功率為1.1kW，因此選用監(jiān)控器控制容量為1.1kW。監(jiān)控器的輸出信號常開點(diǎn)接PLC(輸入點(diǎn))，通過設(shè)計(jì)軟件梯形圖實(shí)現(xiàn)滑臺快退，監(jiān)控器測量啟動開關(guān)接點(diǎn)接PLC(輸出點(diǎn))，用軟件實(shí)現(xiàn)監(jiān)控器的延時(shí)功能，用于保護(hù)電機(jī)啟動時(shí)大電流對監(jiān)控器的沖擊，以免產(chǎn)生誤動作。
在實(shí)際機(jī)床中，將主軸電機(jī)的任一相串接至監(jiān)控器的電流端，任兩相并接至監(jiān)控器的電壓端。監(jiān)控器的繼電器輸出端接至PLC基本單元的輸入端，監(jiān)控器的測量開關(guān)接點(diǎn)接至PLC單元的輸出端，其具體的連接圖如圖4所示。

圖4 監(jiān)控器連接圖
機(jī)床主軸啟動后，延時(shí)1秒，PLC輸出接測量開關(guān)接點(diǎn)接通，監(jiān)控器開始測量，投入監(jiān)控保護(hù)狀態(tài)。當(dāng)由于某種原因過扭矩時(shí)，監(jiān)控器繼電器輸出端兩點(diǎn)接通，PCL發(fā)出指令，將滑臺快退。
監(jiān)控器預(yù)定值的設(shè)置是通過反復(fù)試驗(yàn)得到的，首先設(shè)置值比正常工作值稍大一些，經(jīng)過試驗(yàn)最終得到比刀具破損點(diǎn)的數(shù)值略小。若工作過程中出現(xiàn)異常超值現(xiàn)象，則機(jī)床滑臺快退。操作者可分析是工件過硬還是刀具變遲鈍，以便及時(shí)處理。該機(jī)床投入使用后，運(yùn)行一直良好。
4 結(jié)論
通過功率監(jiān)控器在曲軸斜油孔加工機(jī)床的使用可看到：槍鉆、槍鉸和其它鉆床刀具的折斷、機(jī)床刀具的磨損破損監(jiān)控、扭矩控制等都可采用這種方式進(jìn)行監(jiān)控保護(hù)，在實(shí)際中也得以驗(yàn)證。因此，在機(jī)床中可以使用功率監(jiān)控，其監(jiān)控器具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。