論機械加工工藝監(jiān)控的發(fā)展

鄧武

摘 要：機械加工工藝監(jiān)控是指在自動或無人操作的環(huán)境下能夠正常加工的一套設(shè)施，也被稱為FMS、CIM、CAPP等。雖然機械加工工藝監(jiān)控出現(xiàn)時間不長，但許多研究者已經(jīng)認(rèn)識到了其必要性，且其良好的效果也逐漸被業(yè)內(nèi)人士認(rèn)可。文章主要介紹機械加工工藝監(jiān)控的研究現(xiàn)狀，介紹監(jiān)控過程中的加工狀態(tài)的顫振、刀具磨損斷裂、積屑瘤、切屑類型和跳動等，探討一般性診斷技術(shù)。首先分析機械加工工藝監(jiān)控所使用的傳感器，其次分析信號處理方法和決策算法。

關(guān)鍵詞：機械加工；工藝監(jiān)控；發(fā)展

中圖分類號：TH70 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）17-0063-02

現(xiàn)如今，機械加工工藝監(jiān)控已經(jīng)成為工業(yè)自動化進程中不可或缺的組成部分，已經(jīng)成為制造領(lǐng)域的一項關(guān)鍵技術(shù)。純正的工作組常常用于機械加工工藝監(jiān)測。機械加工工藝監(jiān)測的出現(xiàn)不是偶然，它是在一定的條件背景需求下應(yīng)運而生的。其一是工廠自動化的需要，特別是隨著越來越多的計算機輔助技術(shù)的普及，如CAD/CAM、CIM和FMS等。其二是市場上對更復(fù)雜和精密零部件的需求急劇上升，這些又導(dǎo)致了對更智能的機器工具的需求量急劇增加。

機器的智能特性是需要使用各種傳感器和決策過程中的基礎(chǔ)傳感器信息。在機械加工工藝監(jiān)控中，對不同機器智能的使用是最重要的一環(huán)。事實上，運用機械加工工藝監(jiān)控系統(tǒng)能夠有效提高切削效率，減少大約65%切削時間。本文主要從顫振條件、刀具的磨損斷裂、切屑瘤、切屑類型等方面來介紹機械加工工藝監(jiān)控。

1 傳感器的應(yīng)用

監(jiān)控的完成是通過使用具有特性功能的傳感器來監(jiān)測機械加工工藝過程中的某些量的顯著變化值。有兩種不同的方式來監(jiān)控機械加工工藝：直接法和間接法。大多數(shù)用于監(jiān)控機械加工工藝的傳感器是間接的，除了那些依靠光學(xué)傳感（視覺）。間接傳感器比直接傳感器更容易使用，但是間接傳感器相較不可靠。在眾多的研究工作中，超過85%的研究關(guān)注的是顫振、刀具磨損和利用常用的傳感器測量切削力、加速度聲發(fā)射信號。大量研究表明；用于機械加工工藝監(jiān)控的傳感器須具備以下幾點：應(yīng)該是易于使用、安裝和維護，且經(jīng)濟成本低；安裝后應(yīng)不影響機床的正常工作；應(yīng)不受周圍環(huán)境等條件或機械加工工藝的影響；準(zhǔn)確度應(yīng)較高，具有良好的分辨率；應(yīng)盡可能靠近加工點且有可靠的輸出。

2 信息處理與決策

選擇合適的信號處理和決策算法的前提是要求傳感器接收的信號準(zhǔn)確有用。在信號處理和決策算法中，已經(jīng)逐步發(fā)展了一些算法來解決這個問題。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法通常用于傳感器融合和決策；模糊算法也經(jīng)常用來模式識別；均值、中值等統(tǒng)計量也經(jīng)常使用，得到的是某些時刻原始信號和一些參數(shù)指標(biāo)，其后通過處理確定加工狀態(tài)的閾值。時間序列建模是另一個信號處理和特征提取的有效方法，有時甚至是用于決策算法。在實時自適應(yīng)模型中，經(jīng)常使用時間序列，快速傅里葉變換（FFT）有時可以替代時間序列。構(gòu)建關(guān)于切削力、振動和切削動力學(xué)分析模型，通過比較模型來預(yù)測刀具磨損。刀具磨損、破損和顫振是機械加工工藝監(jiān)控中最重要的監(jiān)測。刀具破損或顫振的自然突變現(xiàn)象及其監(jiān)控是預(yù)防的目的。

2.1 傳感器融合

在大多數(shù)的機械加工工藝監(jiān)控機上，會使用兩種以上類型的傳感器融合以期提高系統(tǒng)的可靠性，研究目的通常是研究實現(xiàn)合適的算法，通常這些研究都是不計成本的達(dá)到實現(xiàn)具有優(yōu)異功能的機床。多傳感器融合系統(tǒng)一般結(jié)合了兩個或三個不同的傳感器來測量切削力、加速度或聲發(fā)射信號等。

2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于眾多監(jiān)控、監(jiān)測領(lǐng)域。作為一個“黑盒方法”，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以很容易地確定一個復(fù)雜的譬如機械加工工藝過程的狀態(tài)。各種新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的發(fā)展意味著研究人員對速度、自我培訓(xùn)有一個更廣泛的選擇。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在傳感器融合方面也有很廣闊的應(yīng)用空間，如果不同傳感器的各自方式輸出調(diào)整到適當(dāng)?shù)闹?，多種傳感器可以共同作用得到綜合的結(jié)果并進行處理，提取這些從原傳感器信號得到的與機械加工工藝特征敏感的特征的過程稱為預(yù)處理，最終可以將提取的特征送入網(wǎng)絡(luò)作為網(wǎng)絡(luò)的輸入，通過網(wǎng)絡(luò)進行傳輸或者處理。

2.3 模式識別技術(shù)

一些研究工作者已經(jīng)開始使用模式識別技術(shù)，但是在線性判別函數(shù)算法中存在一個基本約束，即是該算法不保證其特征向量將聚集，也就是不能保證線性判別函數(shù)的收斂狀態(tài)。因此，模糊模式識別技術(shù)已逐步開始取代線性判別函數(shù)。

3 相關(guān)研究介紹

如上文所述，在機械加工工藝監(jiān)控中，刀具磨損、刀具破損、顫振、切屑類型等是影響機械加工工藝監(jiān)控的核心因素。

3.1 刀具磨損

有研究顯示，通過觀察刀具磨損和銑削操作中的聲發(fā)射信號之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)平均聲發(fā)射信號的信號值能夠很大程度上反映刀具磨損，從而能夠達(dá)到對刀具磨損的監(jiān)控，聲發(fā)射信號傳感器能夠安裝在切削油供給裝置上，這樣就能形成在端銑法中對實際的刀具磨損進行監(jiān)測。

超聲法可用于直接測量和監(jiān)控車削的刀具磨損，通過感知和監(jiān)控機床側(cè)面和主軸的能量的變化來反映機床刀具磨損量和機床的完整性。除了上述兩種刀具磨損監(jiān)測系統(tǒng)，還有一種利用切割內(nèi)調(diào)制傳遞函數(shù)的虛部動力學(xué)為指標(biāo)的刀具磨損監(jiān)測系統(tǒng)，時間序列法可以用來構(gòu)建一般的三維切削動力學(xué)模型，通過利用統(tǒng)計的測量切削力來估計刀具的動態(tài)組件的力矩，利用得到的力矩信息來估計刀具磨損。刀具的磨損和斷裂還能通過力矩變化系數(shù)和直方圖分析來進行判斷。在機械加工工藝監(jiān)控中，一些具有高強度、硬度的超精密金剛石刀具的磨損和加工也能進行監(jiān)控，經(jīng)常使用模糊模式識別，且其已成為一個新標(biāo)準(zhǔn)，模糊均值聚類離散度準(zhǔn)則提出了對噪聲擾動下的微弱切削力信號選擇其特征向量來進行分析。

3.2 刀具破損

切削力的大小和刀具斷裂時聲發(fā)射信號是有密切聯(lián)系的，有研究顯示，切削力隨著切削條件的變化而變化，且敏感性較高，但聲發(fā)射信號的均方根值不隨切削條件敏感變化，將聲發(fā)射信號中突變信號的均方根值、峰值變化提取出作為閾值的判斷依據(jù)，可以通過判斷閾值來監(jiān)測切削工件的球墨鑄鐵等材質(zhì)的刀具，可以通過提取切削力和聲發(fā)射信號的典型統(tǒng)計矩來監(jiān)測端銑、削的刀具破損，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法也能在監(jiān)控刀具破損上使用，且能實時監(jiān)控銑削刀具的破損，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法是使用切削負(fù)載信號、刀具狀態(tài)向量與刀具斷裂系數(shù)來定義和識別刀具的狀態(tài)，可以識別出刀具的切削條件和切削過程中的跳動。

3.3 顫振

一般與監(jiān)控機床車削顫振相關(guān)的表征參數(shù)是通過計算主軸轉(zhuǎn)動加速度和切削力信號在頻域和時域內(nèi)的當(dāng)前值和過去值得到的?？梢酝ㄟ^激光傳感器測量得到位移來反映工件的加工粗糙度，運用這一原理可以利用傳感器來監(jiān)控機械加工中的顫振，不僅能夠保證較高的精度，使用的傳感器為非接觸式，這能夠保證測量系統(tǒng)不對機床加工和刀具產(chǎn)生干涉，提高了測量顫振的可行性，同時該方法也能用于對車削操作的監(jiān)控。顫振監(jiān)控在端銑削中應(yīng)用較多，能夠?qū)Χ算姷对阢娤鬟^程中的顫振進行監(jiān)控，它包括一個預(yù)處理和決策神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的時間序列模型。顫振監(jiān)控在磨削中應(yīng)用較少，相關(guān)研究也相對缺乏，但可以通過信號的標(biāo)準(zhǔn)偏差和峰值作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入特征來反映顫振的大小從而實現(xiàn)對磨削顫振進行監(jiān)控，也可以在磨削顫振監(jiān)控中利用聲發(fā)射傳感器收集到的聲發(fā)射信號作為其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的輸入，得到磨削顫振的信息。

3.4 切屑類型

在機械加工過程中，車削過程切屑呈連續(xù)生成是不利于工件加工粗糙度較好的表面，且連續(xù)切屑容易與刀具交纏，影響刀具的切削動作和切削工件質(zhì)量，甚至可能引起刀具受損，因此在機械加工過程中，切屑對加工過程也起著至關(guān)重要的作用，然而有關(guān)切屑監(jiān)控的研究相對較少。一般認(rèn)為引起切削力的動態(tài)組件的振幅最大值與切屑的形態(tài)有密切關(guān)系，這也說明了在切屑形成過程中對切屑進行監(jiān)控的是可行的。提取切削力譜的一些特征信號值，并將其應(yīng)用到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，運用模式識別技術(shù)可實現(xiàn)對五種確定的切屑和顫振進行監(jiān)控。

4 結(jié)論和展望

要實現(xiàn)機械加工工藝的全面監(jiān)控還有較長的路要走，相關(guān)研究還需進一步提升和加強，當(dāng)前，研究人員已逐步將已開發(fā)的監(jiān)控技術(shù)運用到工業(yè)生產(chǎn)中，積極的推進機械加工工藝監(jiān)控的發(fā)展進程。在加工機床上配備加工工藝監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)不干涉機床的正常加工，同時應(yīng)促進加工工藝過程的完善，提高加工效率，相關(guān)的研究不但能直接產(chǎn)生經(jīng)濟利益，還具備至關(guān)重要的附加價值。

關(guān)于機械加工工藝監(jiān)控研究方向展望，監(jiān)控系統(tǒng)成本和研究可靠性的互相協(xié)調(diào)；基于用戶友好型算法的開發(fā)，如自動訓(xùn)練或菜單驅(qū)動/互動的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練；監(jiān)測系統(tǒng)和數(shù)控控制器之間的有機銜接。

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