刀具破损检测在FMS柔性生产线中的自适应应用

编者按

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FMS柔性生产线由统一的信息控制系统、物料储运系统和数台数控设备组成，且能适应加工对象变换的智能自动化机电制造系统，可以准确、快速且自动化加工工件，无需人工参与。我公司的FMS柔性生产线主要由ICC主机、装卸站、堆垛机、库位以及数控机床等组成。在自动化加工中，由于刀具破损会影响后序加工，因此一般选配BK断刀检测功能。单台数控机床处理的方式是检测到刀具破损后，机床做报警停机处理，但在FMS柔性生产线上并不适用这种处理方式，此时结合FMS柔性生产线的特点，使用断刀检测和姐妹刀功能，能够实现检测到刀具破损后的连续自适应加工。假设加工途中用1号刀具进行加工，等1号刀具加工完成，放回刀臂，会进行断刀检测，如检测到1号刀具磨损或者断掉的情况，机床会产生提示，并由ICC小车替换为下一个零件进行重新加工，自动替换为与1号刀具同规格的2号姐妹刀重新对新零件进行加工。

卧式加工FMS柔性生产线如图1所示，一般由若干台主机、若干个装卸站（见图2）、堆垛机、ICC主机（见图3）以及若干个库位组成。

图1 卧式加工FMS柔性生产线

图2 装卸站

图3 ICC主机

正常的工作流程是操作人员在电脑上设定好后，堆垛机将需要装卸零件的托盘从库位运送到装卸站，操作人员将此托盘对应的加工零件安装好，在装卸站上按下“装载完成”按钮后，堆垛机将此托盘放到对应的库位里去。操作过程既不影响主机的正常加工，又不影响堆垛机将库位里已安装好工件的托盘运送至机床进行加工^[1] 。

在这样的工作流程当中，可以实现“8+16”黑灯工厂加工模式，即白天8h装卸零件，堆垛机将安装好的托盘运送至库位，晚上16h将库位上需要加工的零件自动运送到机床里，并将已加工完成的托盘运送到库位上，等操作人员白天上班的时候，堆垛机将库位里已完成加工的托盘运送至装卸站，操作人员进行拆卸，并重新安装需要加工的零件，重复上述工作流程。

刀具寿命管理以及姐妹刀功能，是FANUC系统中可选用的功能^[2]。刀具寿命管理能够设定刀具的最终寿命，可以选择刀具使用时间或者更换刀具次数来进行计数，当达到所设定的最终寿命后，机床会报警停止换刀，并提示操作人员需要更换刀具。操作人员将刀具更换好，更新使用寿命清零，继续正常使用。姐妹刀的使用，在刀具寿命管理的基础上进行，当第一把刀的使用寿命达到设定的最终寿命后先不报警，而是在下次调用刀具时，调出第二把刀，这把刀的类型和第一把一样，我们称这两把刀为姐妹刀。当然，姐妹刀不一定是两把刀，还可以设置4把同类型的刀为姐妹刀。

刀具寿命管理设定界面如图4所示。其中，①型号用来设定刀具寿命计数是根据换刀次数还是使用时间，设为1是按换刀次数计数，设为2是按刀具使用时间计数。②刀具使用寿命，在此处设置001号刀的使用寿命，如2000次。③刀具已使用过的计数，此处显示001号刀已经使用过的次数。④T代码设定，此处设置001号刀对应的T代码，如001号刀为 T1。⑤H代码设定，如果需要刀具长度补偿，则需要设定，如001号刀为H1；如果不需要长度补偿，则不用设定。⑥D代码设定，如果需要刀具半径补偿，则需要设定，如001号刀为D1；如果不需要半径补偿，则不用设定。

图4 刀具寿命管理设定界面

图5 姐妹刀功能

本试验的目的是利用所开发的超声骨刀和传BK断刀检测功能，首先是使用M140代码将每把刀的长度录入BK模块里，然后在后续的使用中，输入M141进行刀具的检测，将检测出来的长度数据与录入时的长度数据进行对比，如超出模块里的设定值会发出报警，机床停机，需要更换刀具^[3]。此控制方式虽然在单机使用时比较适用，但涉及“8+16”黑灯工厂智能化模式就不能这样处理。晚上是无人化、智能化加工，一旦报警停机，就会影响整个计划。需要将FMS柔性生产线的特点与姐妹刀功能、BK断刀检测功能相结合，待检测刀具破损后，才能实现FMS柔性生产线的连续加工自适应。BK断刀检测装置如图6所示。

图6 BK断刀检测装置

5.1 修改换刀宏程序O9001

因为刀具寿命管理里确定当前使用组必须用M06，所以将梯图里换刀用M06替换成M76。换刀宏程序O9001如下所述。

#10=#4003

G91G40G49G80G53M09

IF[#1016EQ1]GOTO330

M19

G91G30Z0M47

G91G28X0

G91G30Y0

M76（之前是M06，换成M76）

M06（刀具寿命计数需要用到M06）

M48

N330G#10

M99

5.2 增加G48 .5线圈跳过功能

在断刀检测报警后，将A61 .4 线圈上并一个G48 .5线圈，出现刀具破损报警时，G48 .5线圈同时得电，得电后PMC通知CNC，表示当前使用的这组姐妹刀刀具已经破损，接下来的T代码指令将选择这一组姐妹刀中的下一把刀具^[4，5]。新增G48 .5线圈如图7所示。

图7 新增G48 .5线圈

5.3 限制备刀后进行断刀检测

当断刀检测动作开始时，线圈R399.5得电，此时需在该线圈前面串联一个K1.0的常闭触点，当输入T代码时K1.0置位，不允许进行断刀检测，只有进行M76换刀或者运行M141调用宏程序里的M06时才能将K1 .0复位。其中M141中有IF GOTO语句，根据G57.0来判断，由于M141调用的宏程序中有T#999，也运行了T代码，因此需要用M06代码进行再次打断。新增K1.0触点如图8所示。

图8 新增K1 .0触点

添加M141宏程序O9009如下所述。 

O9009

G53（防止程序预读）

IF[#1024EQ1]GOTO10（只输入T代码没有M06换刀，就会导通G57 .0 IF语句判断跳转到N10，限制备刀后进行断刀检测）

G53（防止预读）

T#999（在刀具寿命管理将下一组刀组号改为刀臂上的号）

M06（只作为在刀具寿命管理里将使用组确认为下一组的刀号）

N10M141（断刀检测功能M代码）

G4X2（由于断刀检测拍打以及处理需要时间，因此如果不加延时，那么主程序里无法正常跳转）

M99

5.4 修改加工程序

在加工程序中如果使用了断刀检测功能，则必须加入IF GOTO语句，否则将不会跳转。如果检测出刀具破损，A61 .4和G57 .1同时得电输出，#1025 =1，程序跳转到N50M164，加工程序结束后运行小车。新增G57.1线圈如图9所示。

图9 新增G57 .1线圈

加工程序举例如下所述。 

T1M06（第一段用第1组刀加工）

T3（备第3组的刀）

XXX（模拟加工程序）

M06（换上第3组的刀，换下第1组的刀）

M141（测量换下的刀）

G53（防止程序预读）

IF【#1025EQ1】GOTON50（如果检测出第1组刀具破损，那么直接跳转到N50，没有则继续运行）

G53（防止程序预读）

T5（备第5组刀）

XXX（模拟加工程序）

M06（换上第5组的刀，换下第3组的刀）

M141（测量换下的刀）

G53（防止程序预读）

IF【#1025EQ1】GOTON50（如果检测出第3组刀具破损，那么直接跳转到N50，没有则继续运行）

G53（防止程序预读）

T5（备第3组刀）

XXX（模拟加工程序）

N50 M164（和FMS柔性生产线相关的M代码）

M172（和FMS柔性生产线相关的M代码）

M30

5.5 修改与FMS柔性生产线相关的梯图

检测到刀具破损后，A61 .4会得电输出。如果A61.4不得电，执行加工主程序最后一句的M164指令时，将输出R 2 3 1 1 .2 线圈得电，ICC在收到R2311.2线圈的得电信号后，就判断加工程序正常结束。如果A61.4线圈得电，那么执行加工主程序最后一句的M164指令，将输出R2311 .3线圈得电，ICC在收到R2311.3线圈得电信号后，就判断加工程序异常结束。ICC会将此托盘标为异常托盘，然后再重新调用下一个托盘来进行加工。新增A61.4触点如图10所示。

图10 新增A61 .4触点

在FMS柔性生产线的自动化生产过程中，刀具破损不仅影响当前工序，而且会中断后续加工流程，造成生产计划滞后与资源浪费。本文通过整合姐妹刀功能与BK断刀检测技术，提出了一套面向卧式加工中心的FMS柔性生产线自适应刀具管理方案。该方案通过对机床梯图、宏程序及加工程序的系统性修改，实现了刀具破损后的自动识别、备刀切换与加工任务连续执行，显著提升了生产系统的可靠性与智能化水平。实际应用表明，该方案有效解决了柔性制造中因刀具异常导致的生产线中断问题，解决了痛点问题，为客户实现黑灯工厂与无人化连续加工提供了可靠的技术支持，反馈良好，使FMS柔性生产线更加智能化。未来可进一步拓展至更多智能装备与工艺场景，为柔性制造的深度自动化与智能化发展提供有效借鉴。

参考文献：

[1]  付新辉，宋振波，李小军，等. FANUC数控系统刀具寿命管理的应用[J]. 商用汽车，2025（3）：63-65.

[2]  刘宏岩，杨鑫，杨健，等.  断刀检测及刀具磨损自动补偿技术研究[J]. 现代制造技术与装备，2021，57（1）：33-34.

[3]  王树春，李浩，王永峰. FMS技术与应用[J]. 中华民居，2011（7）：94-95.

[4]  贾丽刚. FMS中刀具管理系统的研究及开发[D].  昆明：昆明理工大学，2008.

[5]  刘义. 面向FMS的刀具管理系统的应用研究与开发[D]. 昆明：昆明理工大学，2007.

本文发表于《金属加工（冷加工）》2026年第3期70~73、78页，作者：宁波海天职业技能培训学校有限公司  张晖、石海亚、李旭东，原标题：《刀具破损检测在FMS柔性生产线中的自适应应用》。

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