ARTIS在航空制造中的應(yīng)用

賀 毅

(中航工業(yè)成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司數(shù)控加工廠，四川 成都610092)

近年來隨著先進制造技術(shù)在國內(nèi)的不斷推進，制造過程中的加工效率、加工質(zhì)量的要求也隨之提高。根據(jù)精益制造、六西格馬等的質(zhì)量體系的要求，對生產(chǎn)過程中的過程控制提出了更高的要求。由于工件加工的過程控制取決于機床的控制過程，因此眾多機床廠都在進行機床狀態(tài)監(jiān)控這一領(lǐng)域的研究。對用戶而言目前分兩種監(jiān)控，一種是對機床的各種信號和狀態(tài)進行監(jiān)控，但這套系統(tǒng)僅僅記錄機床的狀態(tài)而不會改變機床運行狀態(tài)，如數(shù)控系統(tǒng)(如西門子)自帶的報警日志，或機床廠自己開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)，或用戶自行開發(fā)的第三方軟件(如DNC 系統(tǒng))。另一種則不僅對系統(tǒng)的狀態(tài)進行監(jiān)控記錄，還可以“學(xué)習(xí)”、記錄系統(tǒng)加工的狀態(tài)，甚至可以根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)對機床進行一定的操作，這一類如ARTIS系統(tǒng)、OMA 系統(tǒng)等，這些監(jiān)控都是未來數(shù)控機床智能化的一部分。目前國內(nèi)的研究仍然多局限于第一種監(jiān)控方案，625 所、成飛、西南交大等都有類似的研究;對于第二類系統(tǒng)，國內(nèi)進行研究的較少，這主要是由于使用國外的數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)需要付出高昂的代價，而且對相關(guān)人員的技術(shù)水平要求較高，研發(fā)人員不僅需要了解數(shù)控系統(tǒng)軟件、數(shù)控機床硬件，還需對工件加工相關(guān)的工藝方案，工藝參數(shù)等都需要有很深的理解。

1 ARTIS 系統(tǒng)硬件簡介

ARTIS 系統(tǒng)是德國ARTIS 公司根據(jù)加工中對系統(tǒng)加工過程的監(jiān)控要求開發(fā)的一套監(jiān)控系統(tǒng)。它最成功的應(yīng)用領(lǐng)域是在汽車制造業(yè)，目前逐漸進入航空制造領(lǐng)域，但該公司也在不斷根據(jù)航空制造的要求對ARTIS 系統(tǒng)進行不停的改進和升級。

ARTIS 系統(tǒng)根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)中的總線信號或傳感器的信號對數(shù)控系統(tǒng)進行檢測和控制。目前它主要支持西門子、發(fā)那科、力士樂三個數(shù)控系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)對西門子系統(tǒng)支持最強，故本文以ARTIS 在西門子系統(tǒng)中應(yīng)用為例。ARTIS 系統(tǒng)可處理多種信號:DTA 數(shù)字扭矩適配器，主要采集數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)的信號，MU4 可采集功率的監(jiān)測傳感器系統(tǒng)，KU4 可采集結(jié)構(gòu)傳播噪聲的監(jiān)測傳感器系統(tǒng)，CFM -4 可采集作用力的監(jiān)測傳感器系統(tǒng)，VG-4 用于振蕩監(jiān)測傳感器系統(tǒng)等。以上檢測信號可根據(jù)實際情況進行選擇，在ARTIS 系統(tǒng)中最重要的硬件是ARTIS 的CTM 卡，所有傳感器信號都要傳入CTM 卡中進行處理后再反饋給機床，CTM 卡有內(nèi)置和外置兩種類型。圖1 是一種典型的ARTIS系統(tǒng)，系統(tǒng)使用外接加速傳感器。

ARTIS 系統(tǒng)硬件上必須至少有一個CTM 卡，其他硬件可以根據(jù)情況選用。一個CTM 卡可以檢測8 個軸，如果檢測的軸超過8 個則可以連接另一張CTM 從卡進行擴展。ATRIS 系統(tǒng)有一個接口軟件CTMVISU，通過該軟件可以對ARTIS 系統(tǒng)進行各種設(shè)置，既包括對與系統(tǒng)的各種連接設(shè)置，也包括對工件加工進行監(jiān)控的設(shè)置。ATRIS 系統(tǒng)使用系統(tǒng)中的PLC 信號對機床進行控制，可以產(chǎn)生各種提示或報警，通過系統(tǒng)總線可以自動控制機床加工參數(shù)，記錄加工中各種狀態(tài)等。機床廠一般會在機床交付前將ARTIS 各種設(shè)置調(diào)整完畢，但用戶也可根據(jù)需要進行一些修改。

2 CTMVISU 界面及參數(shù)簡介

ATRIS 系統(tǒng)包括多種監(jiān)控方法供用戶使用，其中標準的監(jiān)控方法為ATRIS 系統(tǒng)自帶，不需要另外購買，其他的監(jiān)控方法如:SAS、dx/dt等為選件，需要另外購買，軟件中有許多功能也是選件，而且有些功能必須有相應(yīng)的硬件支持。操作ATRIS 系統(tǒng)既可以使用機床廠家定義的快捷按鍵，也可以使用機床廠家編輯的M 指令，甚至用戶可以自行修改PLC 以通過某種條件控制ATRIS 系統(tǒng)。

ATRIS 系統(tǒng)監(jiān)控內(nèi)容最主要有三種，分別是過載監(jiān)控、斷裂監(jiān)控和缺失監(jiān)控。實際上系統(tǒng)經(jīng)常需要幾種監(jiān)控信號綜合判斷機床加工的狀態(tài)。在設(shè)置監(jiān)控參數(shù)時要注意使用各種參數(shù)排除一些信號的干擾，如使用基準線(baseline)可以濾去空轉(zhuǎn)對監(jiān)控的影響，消除監(jiān)測初期的干擾峰值可用Ts 參數(shù)，消除監(jiān)測末期的干擾峰值可用持續(xù)時間(duration)參數(shù)等。

圖2 界面(加工過程監(jiān)控界面，以dx/dt 監(jiān)控方法為例)中兩個窗口分別為CFM4 功率監(jiān)控信號窗口、VG4 振動監(jiān)控信號窗口，各信號曲線的含義如表1所示。

表1 監(jiān)控信號含義

上面各監(jiān)控信號的相關(guān)參數(shù)設(shè)置分別如圖3～圖5 所示，主要包括參數(shù)設(shè)置1、參數(shù)設(shè)置2、參數(shù)設(shè)置3。

2.1 參數(shù)設(shè)置1

如圖3 所示。此窗口主要是ARTIS 加工過程監(jiān)控的基本設(shè)置，主要包括學(xué)習(xí)設(shè)置、學(xué)習(xí)模式、報警輸出設(shè)置等。

2.2 參數(shù)設(shè)置2

如圖4 所示。參數(shù)設(shè)置2 窗口主要包括刀具破損、加工過載、刀具磨損、斷刀監(jiān)控相關(guān)參數(shù)極限值的設(shè)置，以及學(xué)習(xí)參數(shù)和傳感器放大倍率等的相關(guān)設(shè)置。圖4 中一些數(shù)據(jù)是現(xiàn)場的經(jīng)驗值。

2.3 參數(shù)設(shè)置3

如圖5 所示。參數(shù)設(shè)置3 窗口主要包括各監(jiān)控信號的延時設(shè)置，將加工過程中的非正常報警信號過濾掉。

3 學(xué)習(xí)功能

ATRIS 系統(tǒng)不僅可以完全自定義各種參數(shù)值，也可以使用學(xué)習(xí)功能，系統(tǒng)可以通過學(xué)習(xí)功能自動記錄正常加工的狀態(tài)或者調(diào)整監(jiān)控參數(shù)。學(xué)習(xí)最主要使用兩種，一種是標準的監(jiān)控，ARTIS 人員稱為是狀態(tài)監(jiān)控，另一種是dx/dt 監(jiān)控，被稱為過程監(jiān)控。雖然兩種監(jiān)控均可監(jiān)控機床，但ARTIS 人員建議航空用戶可以在加工批量工件時使用狀態(tài)監(jiān)控，狀態(tài)監(jiān)控后可形成歷史記錄，當以后再次加工該工件時可以將該歷史記錄和最新的加工狀態(tài)進行對比，如果兩者差異很大，可以將機床停止加工，再根據(jù)兩者差異查找原因。過程監(jiān)控可以用于實時監(jiān)控機床當前加工狀態(tài)，它的監(jiān)控依據(jù)主要來源于機床進行“學(xué)習(xí)”后生成的曲線。

ATRIS 系統(tǒng)學(xué)習(xí)功能主要是通過一段正常的加工狀態(tài)得出機床的各種監(jiān)控參數(shù)。它可以通過手動或者自動的方式進行學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)時也可以自動產(chǎn)生各種極限范圍，如斷裂極限默認為峰值極限的2 倍，磨損極限默認為峰值極限的1.5 倍，這些設(shè)置也可以手動修改。為免學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)的峰值與正常加工不同，進給控制器在此過程中必須保持為100%。學(xué)習(xí)時機床加工過程至少需要運行三次。系統(tǒng)學(xué)習(xí)第一次加工時將自動確定放大倍數(shù)，學(xué)習(xí)第二次加工時將確定學(xué)習(xí)信號軌跡，第三次將開始會激活監(jiān)控功能。

4 ARTIS 系統(tǒng)的應(yīng)用

對于航空件而言，其工件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、類型多變、生產(chǎn)批量小、精度和表面質(zhì)量要求高，還有材料也多樣;汽車業(yè)的工件結(jié)構(gòu)簡單、類型少、批量大、各種要求都很低，因此在航空工業(yè)應(yīng)用ARTIS 將會面臨許多新問題。比如對于一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜的航空件，如果以一種監(jiān)控參數(shù)監(jiān)控整個工件可能導(dǎo)致ARTIS 監(jiān)控的信號范圍較大，會使監(jiān)控的可靠性降低。航空工件類型多變，因此以一種參數(shù)對不同工件進行監(jiān)控是不可靠的，需要根據(jù)加工方案來調(diào)整監(jiān)控參數(shù)。

可以考慮使用特征的方案進行監(jiān)控。首先將不同的加工方案進行學(xué)習(xí)，得到的不同學(xué)習(xí)結(jié)果記錄機床中，以后每次加工該特征時系統(tǒng)就調(diào)用該類型的學(xué)習(xí)記錄，通過對比來監(jiān)控機床狀態(tài)，不過這需要編程時首先對工件進行特征識別，再將相應(yīng)指令加入程序中，由于這對工藝水平有較高的要求，但目前的自動識別特征的技術(shù)還不能保證識別完全正確，因此容易出現(xiàn)問題。為了降低要求可以簡化分析工件加工特征，如將銑削分為3 大類:軸向加工、銑螺紋和常規(guī)銑削。每大類下分為若干小類，例如常規(guī)銑削可分為加工方式與加工部位。加工方式包括粗銑、半精銑、精銑。加工部位可簡單分為筋高(筋、緣條頂面之類)、腹板、內(nèi)外形(加工側(cè)壁)。因此常規(guī)銑削共有九種方案。以上分類可加入前置指令當中，工藝編程的相關(guān)指令必須規(guī)范，便于后置處理時自動添加相關(guān)指令，避免工藝員手動添加。ARTIS 中并沒有與特征對應(yīng)的編號信號，因此可以將ARTIS 中流程編號系統(tǒng)改造成所需的特征編號系統(tǒng)。ARTIS 流程編號由下述幾部分組成:工位名稱、程序編號、T 編號、D 編號、機加工編號。它是后置處理的依據(jù)。后置處理程序根據(jù)工藝員在程序前置中提供的前置指令、加工刀具信息，自動生成相應(yīng)的ARTIS 監(jiān)控指令。程序編號可以用于代表銑削方式，T編號用于設(shè)置刀長，D 編號用于設(shè)置刀具工作長度，機加工編號可用于表達刀具的底角R，保留小數(shù)點后一位，最后一位即為小數(shù)點后的R 值。最后還要建立程序前置中刀具命名規(guī)則，程序前置中的刀具信息必須與實際一致，工作長度及底角R 信息必須正確。

ARTIS 不僅可以用于監(jiān)控機床，也可以成為工藝員優(yōu)化程序的一個有效工具。在以前的加工參數(shù)試切中，工藝員采用的是比較原始、模糊的判斷方式，比如聽聲音、看加工表面等，難以做到數(shù)字量化，但是在結(jié)合了ARTIS 系統(tǒng)監(jiān)控功能的機床，可以對加工參數(shù)進行比較客觀和科學(xué)的判斷和評價。例如，主軸廠商一般會給用戶一張恒功率曲線圖，通過該圖可以清楚了解恒功率轉(zhuǎn)速范圍和其拐點，一般認為在該范圍中主軸功率、振動等表現(xiàn)較好。但經(jīng)過用ARTIS 系統(tǒng)采集各種試切時的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)在有負載情況下的振動，不一定與空載時的規(guī)律相同，在負載加工時情況變得更加復(fù)雜，而空載時主軸特性規(guī)律僅僅只能作為參考，不同半徑的刀具的空載曲線也不完全一樣。在工件加工狀態(tài)很好的情況下，適當提高轉(zhuǎn)速，加工振動值會更小，且更有利于加工效率的提高。

對維修與調(diào)整而言，ARTIS 可以提供非常完整的性能退化狀態(tài)記錄。機床可以通過不同時間加工的標準件(如拉氏試件、S 試件)來確定機床性能退化的狀態(tài)。在平時也能通過一些電流、功率等分析可以確定機床某些機械狀態(tài)下降的確切時間，以便分析原因。

在應(yīng)用ARTIS 時需注意兩個方面:(1)通過學(xué)習(xí)獲得合適的加工過程監(jiān)控參數(shù)，這需要采集大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(需針對不同特征、不同加工模式、不同刀具進行學(xué)習(xí)獲得相應(yīng)的監(jiān)控參數(shù));(2)如何規(guī)范現(xiàn)場操作人員對ARTIS 監(jiān)控報警后的處理，也需要由專門的技術(shù)人員和操作者跟蹤較長一段時間，以掌握其狀態(tài)并規(guī)范對各種異常情況的處理。

盡管ATRIS 系統(tǒng)功能已經(jīng)較多，但仍然可以進行進一步的擴展。例如可以考慮根據(jù)機床安裝的加速度傳感器的信號變化實現(xiàn)機床的防撞功能。操作者錯誤的操作有時會使機床受到不正常的碰撞或干涉。工藝的一些不合理也可能導(dǎo)致機床受到碰撞或干涉。通過加速度傳感器信號的變化可以使機床在信號急劇變小時停止機床運動，雖然由于撞擊時間的因素，該方案也許不能完全避免撞擊的發(fā)生，但可以減小撞擊或者機床干涉的后果。節(jié)能是目前加工中考慮的一個重要因素，顯然通過ATRIS 系統(tǒng)的圖形也可以對節(jié)能加工進行分析。

5 結(jié)語

ATRIS 系統(tǒng)功能不少，但有些功能用戶沒有用好，甚至有些功能并沒有被關(guān)注。有些功能對用戶的要求較高，用戶必需做出很多技術(shù)上、管理上的突破才可能進行應(yīng)用。如系統(tǒng)的自適應(yīng)控制，該功能能有效地提升機床的加工效率，但對用戶的要求較高，工藝員能給出合理的工藝參數(shù)以供系統(tǒng)自動進行調(diào)整，操作人員也能快速的判斷一些機床加工狀態(tài)，比如聲音、振動、電流、溫度等是否異常。目前一般認為自適應(yīng)控制僅能適用于粗加工。ATRIS 系統(tǒng)也可用于機床加工中刀具出現(xiàn)異常時自動換刀。在加工時如果出現(xiàn)一些如磨損監(jiān)控報警時可以使機床首先自動記錄程序段號，調(diào)用子程序法向抬刀后再執(zhí)行測刀長的操作，然后通過測得的刀長判斷，如果刀具磨損，機床即自動更換備用刀具后回斷點進行加工，上述操作要求最終用戶具備比較強大的開發(fā)能力，能在機床廠商的基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)應(yīng)用。

ATRIS 系統(tǒng)盡管功能強大，但它還是有一些可以改進之處。例如當出現(xiàn)一些異常報警后，不能人為地將監(jiān)控進行暫停，監(jiān)控會自動繼續(xù)進行;對一些難以避免的操作(如單段執(zhí)行程序，或者進給控制器電位由于某種原因必須在0%位)，此時ARTIS 不能自動識別當前操作，系統(tǒng)認為狀態(tài)出現(xiàn)突變、異常;一些老機床上ARTIS 運行時間過久后，系統(tǒng)資源占用過大引起PCU 運行速度下降等。

［1］成飛公司. ARTIS 應(yīng)用總結(jié)［Z］.

［2］ARTIS 公司. CTM 用戶手冊［Z］.

［3］ARTIS 公司. CTM 安裝手冊［Z］.