精密切削刀具磨损监控系统设计
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1 系统工作原理
数控机床在现代机械加工领域特别是精加工中应
用广泛［5］，精 密 切 削 中，为 防 止 因 刀 具 微 量 磨 损 而 引 起工件加工精度降低而被迫换刀，延长刀具使用寿命， 使之达到磨钝标准。本系统以数控机床为平台，设计 了刀具磨损测量控制与补偿系统（ 图 1） 。在加工过程 中，当一个工件加工完成后，采用位移传感器测量工件 关键尺寸，经控制器（ FPGA） 进行数据处理，计算加工 误差，输出给机床 CNC 系统，数控加工主程序 （ 宏程 序） 调用此数据，并以此修正加工刀具进给量，以此补 偿因刀具磨损而引起的加工误差。
3． 4 切削加工实验 刀具磨损监控补偿系统经调试后，在 CKA6150 型
数控车床（ 大连机床厂） 上对一种新型复合陶瓷材料 进行了精密加工工序切削实验，并与在未使用本系统 的切削过程作对比。结果表明，引入了传感器实时自 动测量，精度提高，避免了人工检测误差； 自动检测控 制系统的使用，避免了机床频繁停机检测和手动调整 数控系统加工参数，效率明显提高； 可使刀具达到磨钝 标准，延长刀具有效使用时间，减少了换刀次数和重新 对刀引入的二次误差。在硬脆材料切削加工中，应用 了本系统，加工效率、加工精度、产品合格率都明显提 高（ 表 1） 。
Abstract： The test and control system was designed on tools wear，it selected EPF10K10TC144 － 4 type controlling chip，displacement sensor，the control software was programmed using distributed algorithm，and system simulation was carried out． The data was input into the CNC system，tools parameters were modified． The cutting experiment was carried out in turning machine． The results of comparing study indicate that the manual examination errors and machine tools on － and － off frequently are avoided，the quadric errors introduced by the number of change tools and re － adjust tools are reduced，the effective time of using the tools was extended，in addition ，machining efficiency，machining precision and product qualification rate have been obviously improved．
（ 2） 换被测工件。
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（ 3） 测量： ① 传感器输出量： V1 ，V2 ，…，Vn ② 测量值： Ln = L0 + k（ Vn － V0 ） = Ln － 1 + k（ Vn － Vn － 1 ） ③ 实时误差： ΔLn = k（ Vn － Vn －1 ） ④ 积累误差值： ∑ΔLn = k（ Vn － V0 ） （ 4） 存储输出，传送到数控主程序。继续更换被 测工件，进行测量。 （ 5） 报警提示。当系统检测积累误差超程（ 即刀 具累计磨损量超过磨 钝 标 准） 时，报 警 提 示，更 换 刀 具。 系统总的控制流程图如图 4 所示。本控制系统的 核心分为两个部分： 计算单元和接口单元，都通过对 FPGA 的硬件编程来实现。
并经串口进行发送至机床数控系统，修改机床控制参 数，从而补偿加工误差。各实时误差值相加得累积误 差，与刀具磨钝标准比较，当积累误差值大于刀具磨钝 标准时，系统将发出报警指令，提示换刀。控制过程如 图 7 所示。
3． 3 仿真结果 根据软件设计程序，假定一标准输入工件尺寸和
几个传感器输入数据，由控制程序计算结果如图 8 所 示。仿真结果基本和理论计算一致，误差主要是由于 AD 转换带来的量化误差所致［11］。
精密切削刀具磨损监控系统设计
马廉洁
（ 东北大学秦皇岛分校自动化系，河北 秦皇岛 066004）
摘 要： 设计了刀具磨损检测控制系统，采用 EPF10K10TC144 － 4 主控芯片、位移传感器，采用分布式算法 编制了控制软件并进行了系统仿真。将数据输入到 CNC 系统，修改刀具参数，并在数控车床上进 行了切削实验。对比研究结果表明，该系统避免了人工检测误差、机床频繁停机，减少了换刀次数和 重新对刀引入的二次误差，延长了刀具有效使用时间，且加工效率、加工精度、产品合格率都有明显 提高。
工件处于精加工工序，且加工精度要求较高。机 床转速较高，不宜采用接触式在线测量； 机床系统会引 起一定的振动，采用激光、超声等非接触在线测量会引 入测量误差［7 － 9］。所以本设计采用了稳定性好、精度 高的离线 接 触 式 测 量，直 接 测 量 工 件 关 键 尺 寸 误 差。 选用自动复位式位移传感器，其有效行程 25 mm，输出 电压为 0 ～ 5 V，经示波器、高精度数字式万用表、稳压 电源，配合高档数控机床检测，其输出特性体现了较为 规范的二段式线性关系（ 图 3） ，在 5. 5 ～ 22 mm 测量范
FPGA 控制程序的核心部分是 ADC 控制单元和
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ADC 控制单元根据 ADC0804 的控制信号，产生 如下几个控制信号：
（ 1） CS 芯片选择信号。 （ 2） RD 外部读取转换结果的控制输出信号。RD 为高时，DB0 ～ DB7 处理高阻抗： RD 为低时，数字数据 才会输出。 （ 3） WR： 用来启动转换的控制输入，相当于 ADC 的转换开始（ CS = 0 时） ，当 WR 由高变为低时，转换 器被清除： 当 WR 回到高时，转换正式开始。 3． 2． 2 计算单元 ADC 单元输出的结果是传感器输出的电压量，在 计算单元首先要根据传感器的传感特性曲线，计算出 此电压量对应的长度测量值。同时，考虑到传感器量 程有限，在实际操作时，有一标准尺寸（ 或标准工件） ， 以它的尺寸作为基准（ 即测量零点） 进行相对测量，所 以计算时，先要由键盘输入此基准值，然后再由测量值 公式进行计算。 每更换一个工件，就计算出一个测量值，相邻两次 测量值相减得到实时误差，作为刀具进给量的调整值
接口单元的作用是将计算单元最终得到的积累误 差信号作为数控机床刀具进给量的调整信号，通过串 口发送到数控机床。 3． 2 软件设计
系统软件部分主要是针对 FPGA 控制程序的设 计，主要分为计算部分、ADC 控制、串口控制、键盘输 入接收、显示驱动等几部分。基于 FPGA 控制系统核 心部分的设计过程如图 5 所示。
廉，适合实际应用，如图 2 所示。以 FPGA 为核心控制 器，外加 AD 转换器、键盘输入单元、数码管显示单元、 RS232 串口输出单元构成。
围内，相对误差为 0. 005 3% 。
2． 2 硬件设计 2． 2． 1 FPGA
FPGA 是目前广泛使用的可编程逻辑器件，和传 统单片机相比有很多优势，运行速度快，管脚多，容易 实现大规模系统，可以方便连接外设。FPGA 内部程 序并行运行，有处理更复杂功能的能力，可以同时处理 不同任务，工作更有效率。FPGA 有大量软核，甚至包 含单片机和 DSP 软核，可以方便进行二次开发。本设 计采用 EPF10K10 系列芯片中的 EPF10K10TC144 － 4， 该芯片为 TQFP144 封装形式，具有 3． 1 万门和 576 个 逻辑单元，6 144 位 RAM，资源丰富，基于 SRAM 配置 型 FPGA 器 件 可 以 无 限 次 数 下 载。配 置 芯 片 采 用 EPC2LC20，可以保 证 掉 电 后 再 上 电 FPGA 的 正 常 工 作。采用 40 MHz 的晶振提供工作时钟。 2． 2． 2 传感器
关键词： 自动控制 刀具磨损 CNC 精密加工 切削 中图分类号： TH39，TP273 文献标识码： A
Designing of test and control system on tools wear in precision cutting
MA Lianjie （ Department of Automation，Northeastern University at Qinhuangdao，Qinhuangdao 066004，CHN）
计算单元，这两个部分决定了测量和控制的正确性与 精度。
3． 2． 1 ADC 控制单元 如图 6 所示，ADC 控制单元主要有两个作用，一
是产生 ADC0804 所需的时序控制信号； 二是根据地址 信号从 ROM 查出对应的转换结果并输出到显示单元 和计算单元。
计算单元首先根据传感器的传感特性曲线，将传 感器输出的电压信号转换为相应的长度信号； 然后，再 将转换得到的长度信号与上次测量的信号相减，得到 了误差信号，即实时误差信号； 最后，将实时误差信号 进行累加，就 得 到 了 最 终 的 误 差 信 号，即 积 累 误 差 信 号。
Keywords： Auto － control； Tools Wear； CNC； Precision Machining； Cutting
现代硬脆复合材料，具有质轻、耐磨损、耐腐蚀等 优异性能，是 舰 艇、航 天 器、军 工、核 能 等 领 域 中 长 寿 命、高可靠性结构件不可或缺的材料，但材料本身难加 工，刀具磨损快是其显著特征［1 － 2］。而高技术领域对 零件的加工质量要求越来越高，因此，较小的刀具磨损 量即可引起工件精度超差，所以，控制刀具磨损是保证 加工质量的关键。但在常规切削加工中刀具磨损不可 避免。虽然较小的刀具磨损量影响了加工精度，但切 削刀具并未达到磨钝标准［3 － 4］，为满足加工质量而频 繁换刀，不仅增加了辅助时间，同时造成了刀具浪费， 使得加工成本增加、效率降低。而磨削又难以实现工 件复杂型面的加工。因此，设计开发切削加工刀具磨 损监控补偿系统，在难加工材料的高效切削加工中具 有重要的实际应用价值。
数控机床在现代机械加工领域特别是精加工中应
用广泛［5］，精 密 切 削 中，为 防 止 因 刀 具 微 量 磨 损 而 引 起工件加工精度降低而被迫换刀，延长刀具使用寿命， 使之达到磨钝标准。本系统以数控机床为平台，设计 了刀具磨损测量控制与补偿系统（ 图 1） 。在加工过程 中，当一个工件加工完成后，采用位移传感器测量工件 关键尺寸，经控制器（ FPGA） 进行数据处理，计算加工 误差，输出给机床 CNC 系统，数控加工主程序 （ 宏程 序） 调用此数据，并以此修正加工刀具进给量，以此补 偿因刀具磨损而引起的加工误差。
3． 4 切削加工实验 刀具磨损监控补偿系统经调试后，在 CKA6150 型
数控车床（ 大连机床厂） 上对一种新型复合陶瓷材料 进行了精密加工工序切削实验，并与在未使用本系统 的切削过程作对比。结果表明，引入了传感器实时自 动测量，精度提高，避免了人工检测误差； 自动检测控 制系统的使用，避免了机床频繁停机检测和手动调整 数控系统加工参数，效率明显提高； 可使刀具达到磨钝 标准，延长刀具有效使用时间，减少了换刀次数和重新 对刀引入的二次误差。在硬脆材料切削加工中，应用 了本系统，加工效率、加工精度、产品合格率都明显提 高（ 表 1） 。
Abstract： The test and control system was designed on tools wear，it selected EPF10K10TC144 － 4 type controlling chip，displacement sensor，the control software was programmed using distributed algorithm，and system simulation was carried out． The data was input into the CNC system，tools parameters were modified． The cutting experiment was carried out in turning machine． The results of comparing study indicate that the manual examination errors and machine tools on － and － off frequently are avoided，the quadric errors introduced by the number of change tools and re － adjust tools are reduced，the effective time of using the tools was extended，in addition ，machining efficiency，machining precision and product qualification rate have been obviously improved．
（ 2） 换被测工件。
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（ 3） 测量： ① 传感器输出量： V1 ，V2 ，…，Vn ② 测量值： Ln = L0 + k（ Vn － V0 ） = Ln － 1 + k（ Vn － Vn － 1 ） ③ 实时误差： ΔLn = k（ Vn － Vn －1 ） ④ 积累误差值： ∑ΔLn = k（ Vn － V0 ） （ 4） 存储输出，传送到数控主程序。继续更换被 测工件，进行测量。 （ 5） 报警提示。当系统检测积累误差超程（ 即刀 具累计磨损量超过磨 钝 标 准） 时，报 警 提 示，更 换 刀 具。 系统总的控制流程图如图 4 所示。本控制系统的 核心分为两个部分： 计算单元和接口单元，都通过对 FPGA 的硬件编程来实现。
并经串口进行发送至机床数控系统，修改机床控制参 数，从而补偿加工误差。各实时误差值相加得累积误 差，与刀具磨钝标准比较，当积累误差值大于刀具磨钝 标准时，系统将发出报警指令，提示换刀。控制过程如 图 7 所示。
3． 3 仿真结果 根据软件设计程序，假定一标准输入工件尺寸和
几个传感器输入数据，由控制程序计算结果如图 8 所 示。仿真结果基本和理论计算一致，误差主要是由于 AD 转换带来的量化误差所致［11］。
精密切削刀具磨损监控系统设计
马廉洁
（ 东北大学秦皇岛分校自动化系，河北 秦皇岛 066004）
摘 要： 设计了刀具磨损检测控制系统，采用 EPF10K10TC144 － 4 主控芯片、位移传感器，采用分布式算法 编制了控制软件并进行了系统仿真。将数据输入到 CNC 系统，修改刀具参数，并在数控车床上进 行了切削实验。对比研究结果表明，该系统避免了人工检测误差、机床频繁停机，减少了换刀次数和 重新对刀引入的二次误差，延长了刀具有效使用时间，且加工效率、加工精度、产品合格率都有明显 提高。
工件处于精加工工序，且加工精度要求较高。机 床转速较高，不宜采用接触式在线测量； 机床系统会引 起一定的振动，采用激光、超声等非接触在线测量会引 入测量误差［7 － 9］。所以本设计采用了稳定性好、精度 高的离线 接 触 式 测 量，直 接 测 量 工 件 关 键 尺 寸 误 差。 选用自动复位式位移传感器，其有效行程 25 mm，输出 电压为 0 ～ 5 V，经示波器、高精度数字式万用表、稳压 电源，配合高档数控机床检测，其输出特性体现了较为 规范的二段式线性关系（ 图 3） ，在 5. 5 ～ 22 mm 测量范
FPGA 控制程序的核心部分是 ADC 控制单元和
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ADC 控制单元根据 ADC0804 的控制信号，产生 如下几个控制信号：
（ 1） CS 芯片选择信号。 （ 2） RD 外部读取转换结果的控制输出信号。RD 为高时，DB0 ～ DB7 处理高阻抗： RD 为低时，数字数据 才会输出。 （ 3） WR： 用来启动转换的控制输入，相当于 ADC 的转换开始（ CS = 0 时） ，当 WR 由高变为低时，转换 器被清除： 当 WR 回到高时，转换正式开始。 3． 2． 2 计算单元 ADC 单元输出的结果是传感器输出的电压量，在 计算单元首先要根据传感器的传感特性曲线，计算出 此电压量对应的长度测量值。同时，考虑到传感器量 程有限，在实际操作时，有一标准尺寸（ 或标准工件） ， 以它的尺寸作为基准（ 即测量零点） 进行相对测量，所 以计算时，先要由键盘输入此基准值，然后再由测量值 公式进行计算。 每更换一个工件，就计算出一个测量值，相邻两次 测量值相减得到实时误差，作为刀具进给量的调整值
接口单元的作用是将计算单元最终得到的积累误 差信号作为数控机床刀具进给量的调整信号，通过串 口发送到数控机床。 3． 2 软件设计
系统软件部分主要是针对 FPGA 控制程序的设 计，主要分为计算部分、ADC 控制、串口控制、键盘输 入接收、显示驱动等几部分。基于 FPGA 控制系统核 心部分的设计过程如图 5 所示。
廉，适合实际应用，如图 2 所示。以 FPGA 为核心控制 器，外加 AD 转换器、键盘输入单元、数码管显示单元、 RS232 串口输出单元构成。
围内，相对误差为 0. 005 3% 。
2． 2 硬件设计 2． 2． 1 FPGA
FPGA 是目前广泛使用的可编程逻辑器件，和传 统单片机相比有很多优势，运行速度快，管脚多，容易 实现大规模系统，可以方便连接外设。FPGA 内部程 序并行运行，有处理更复杂功能的能力，可以同时处理 不同任务，工作更有效率。FPGA 有大量软核，甚至包 含单片机和 DSP 软核，可以方便进行二次开发。本设 计采用 EPF10K10 系列芯片中的 EPF10K10TC144 － 4， 该芯片为 TQFP144 封装形式，具有 3． 1 万门和 576 个 逻辑单元，6 144 位 RAM，资源丰富，基于 SRAM 配置 型 FPGA 器 件 可 以 无 限 次 数 下 载。配 置 芯 片 采 用 EPC2LC20，可以保 证 掉 电 后 再 上 电 FPGA 的 正 常 工 作。采用 40 MHz 的晶振提供工作时钟。 2． 2． 2 传感器
关键词： 自动控制 刀具磨损 CNC 精密加工 切削 中图分类号： TH39，TP273 文献标识码： A
Designing of test and control system on tools wear in precision cutting
MA Lianjie （ Department of Automation，Northeastern University at Qinhuangdao，Qinhuangdao 066004，CHN）
计算单元，这两个部分决定了测量和控制的正确性与 精度。
3． 2． 1 ADC 控制单元 如图 6 所示，ADC 控制单元主要有两个作用，一
是产生 ADC0804 所需的时序控制信号； 二是根据地址 信号从 ROM 查出对应的转换结果并输出到显示单元 和计算单元。
计算单元首先根据传感器的传感特性曲线，将传 感器输出的电压信号转换为相应的长度信号； 然后，再 将转换得到的长度信号与上次测量的信号相减，得到 了误差信号，即实时误差信号； 最后，将实时误差信号 进行累加，就 得 到 了 最 终 的 误 差 信 号，即 积 累 误 差 信 号。
Keywords： Auto － control； Tools Wear； CNC； Precision Machining； Cutting
现代硬脆复合材料，具有质轻、耐磨损、耐腐蚀等 优异性能，是 舰 艇、航 天 器、军 工、核 能 等 领 域 中 长 寿 命、高可靠性结构件不可或缺的材料，但材料本身难加 工，刀具磨损快是其显著特征［1 － 2］。而高技术领域对 零件的加工质量要求越来越高，因此，较小的刀具磨损 量即可引起工件精度超差，所以，控制刀具磨损是保证 加工质量的关键。但在常规切削加工中刀具磨损不可 避免。虽然较小的刀具磨损量影响了加工精度，但切 削刀具并未达到磨钝标准［3 － 4］，为满足加工质量而频 繁换刀，不仅增加了辅助时间，同时造成了刀具浪费， 使得加工成本增加、效率降低。而磨削又难以实现工 件复杂型面的加工。因此，设计开发切削加工刀具磨 损监控补偿系统，在难加工材料的高效切削加工中具 有重要的实际应用价值。
