基于工業(yè)4.0的 ToolScope?加工過程監(jiān)控系統(tǒng)

■高邁特精密刀具有限公司供稿

近年來，互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)和信息經(jīng)濟(jì)如火如荼地發(fā)展，對傳統(tǒng)制造業(yè)形成了巨大的沖擊。工業(yè)4.0最早在德國被提出就是為了將通訊技術(shù)、虛擬網(wǎng)絡(luò)和實(shí)體物理網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，通過分散式增強(qiáng)型控制和去中心的智能化，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)從自動化向智能化的轉(zhuǎn)變。

目前達(dá)成一定共識的是，工業(yè)4.0的實(shí)現(xiàn)將至少經(jīng)歷三個發(fā)展階段：第一階段是實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動化，第二階段是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化工廠，第三階段是實(shí)現(xiàn)智能化制造。

來自德國的高邁特集團(tuán)基于工業(yè)4.0的發(fā)展趨勢，同時結(jié)合近一百年的切削技術(shù)和生產(chǎn)工藝經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)出了可集成在機(jī)床設(shè)備上的 ToolScope? 加工過程監(jiān)控系統(tǒng)。

1.第一階段：工業(yè)自動化

現(xiàn)代化車間生產(chǎn)在綜合了先進(jìn)的機(jī)床設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人、自動測量系統(tǒng)、自動裝夾系統(tǒng)和物料輸送等技術(shù)和系統(tǒng)后，能夠按照預(yù)先設(shè)定的程序和參數(shù)進(jìn)行自動化生產(chǎn)。

但是對于機(jī)床加工環(huán)節(jié)來說，會存在很多影響自動化加工的因素，例如錯誤的程序和操作、錯誤的裝夾、不穩(wěn)定的工件材料和毛坯質(zhì)量、不穩(wěn)定的刀具質(zhì)量、不合理的工藝參數(shù)設(shè)定及其他不穩(wěn)定的加工工況等。除了可能引起工件的尺寸形位精度和表面質(zhì)量不合格外，加工過程中出現(xiàn)的各種不穩(wěn)定因素和失誤還可能引起各種異常狀況，比如堵屑、纏屑、振動、崩刃、斷刀、燒刀甚至撞刀，對刀具、工件和機(jī)床造成無法挽回的損害，不止會影響自動化生產(chǎn)，還會造成經(jīng)濟(jì)損失和浪費(fèi)很多輔助時間。

ToolScope加工過程監(jiān)控系統(tǒng)能從兩方面為機(jī)床加工提供異常狀態(tài)監(jiān)控，保障機(jī)床自動化生產(chǎn)的正常運(yùn)行。

（1）異常狀態(tài)監(jiān)控 ——碰撞監(jiān)測。理論上，在加工過程前（刀具還未切入工件）的機(jī)床快進(jìn)給階段，主軸包括刀具不會接觸任何東西，機(jī)床本身只有主軸旋轉(zhuǎn)或工作臺運(yùn)動產(chǎn)生的輕微振動。但如果由于一些失誤（例如裝刀或刀補(bǔ)失誤、程序或操作失誤、工件或夾具異常等），主軸包括刀具可能會撞上其他部件。機(jī)床本身是無法感知到發(fā)生的碰撞，目前機(jī)床的保護(hù)方式是只有在撞擊的力超過了機(jī)床的承受極限時機(jī)床才會停機(jī)，而這時主軸、刀具及被撞部件可能已經(jīng)產(chǎn)生了劇烈的變形，造成無法挽回的巨大損失。

ToolScope的碰撞監(jiān)測功能在加工過程前監(jiān)測機(jī)床主軸的振動（在機(jī)床主軸附近安裝一個振動傳感器）。在監(jiān)測到機(jī)床振動異常加劇時，ToolScope會立即向機(jī)床發(fā)送停機(jī)指令（ToolScope反應(yīng)時間2ms），在碰撞發(fā)生的一瞬間就停止機(jī)床，避免造成更大的損失。而在機(jī)床正常運(yùn)行或加工時不會有任何影響（見圖1）。

（2）異常狀態(tài)監(jiān)控——公差范圍監(jiān)控。在加工過程中（刀具切入工件階段），傳統(tǒng)的方式是操作者需要依靠自己的經(jīng)驗(yàn)，通過加工過程中的聲音、機(jī)床振動、目測加工部位、不斷波動的功率條等方式判斷加工過程是否正常，在發(fā)生一些異常時并不能非常準(zhǔn)確地做出判斷和及時地做出反應(yīng)。并且在機(jī)床開始加工后的整個過程中，也無法非常直觀的了解到中間發(fā)生了什么。

ToolScope可以自動讀取機(jī)床各個軸的負(fù)載、速度及位置等數(shù)據(jù)，以及程序號和刀具號等信息，因此每一把刀具的每一個加工過程都可以實(shí)時生成相應(yīng)的加工曲線（機(jī)床負(fù)載在坐標(biāo)軸內(nèi)隨時間變化的曲線），從而非常直觀地呈現(xiàn)出加工過程中的變化，實(shí)現(xiàn)最基礎(chǔ)的加工過程數(shù)據(jù)化和可視化。

ToolScope通過對正常的加工過程的監(jiān)控，可以自動學(xué)習(xí)到該加工過程的曲線或特征，生成最大/最小極限值和加工曲線的公差范圍邊界，在后續(xù)的生產(chǎn)中，根據(jù)極限值和公差范圍邊界對加工過程進(jìn)行監(jiān)控。如果發(fā)生了崩刀、斷刀及燒刀等異常情況，其加工過程的曲線和特征相比正常的加工過程肯定有突變或很大的差異，ToolScope可以自動識別出這種突變和差異，進(jìn)而發(fā)出警報和控制機(jī)床暫停，避免對工件、刀具和機(jī)床的進(jìn)一步損壞，提高加工過程和機(jī)床的穩(wěn)定性，降低廢品率和生產(chǎn)風(fēng)險（見圖2）。

2.第二階段：數(shù)字化工廠

數(shù)字化工廠從產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計仿真和工藝規(guī)劃、生產(chǎn)組織和實(shí)際加工、產(chǎn)品質(zhì)量跟蹤、到裝配和物流，將所有環(huán)節(jié)有機(jī)的結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的全生命周期管理和全面的制造過程管理。其中一個最基本的要求是需要將各個環(huán)節(jié)通過網(wǎng)絡(luò)連接在一起，每個環(huán)節(jié)和其他環(huán)節(jié)之間都能實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的信息交換。

圖1

圖2

機(jī)床設(shè)備作為工廠中很重要的環(huán)節(jié)，無法直接連接到工廠的信息化網(wǎng)絡(luò)并提供數(shù)字化的數(shù)據(jù)和信息。ToolScope加工過程監(jiān)控系統(tǒng)可以為每臺機(jī)床采集數(shù)據(jù)并連接到網(wǎng)絡(luò)，作為工廠信息網(wǎng)絡(luò)在每臺設(shè)備上的神經(jīng)末梢，消除機(jī)床設(shè)備的信息孤島，納入到車間的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化管理。

ToolScope能夠提供局部的數(shù)字化工廠解決方案，同時能開放端口與第三方信息化管理系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化的集成應(yīng)用。

（1）機(jī)床數(shù)據(jù)采集和記錄。ToolScope能采集所有從機(jī)床內(nèi)部（例如旋轉(zhuǎn)軸或進(jìn)給軸的功率、轉(zhuǎn)矩等負(fù)載數(shù)據(jù)，及目標(biāo)、實(shí)際位置、速度等數(shù)據(jù)）或外部傳感器（如振動、加速度、溫度、壓力和流量等數(shù)據(jù)）讀取到的數(shù)據(jù)，在用于對機(jī)床進(jìn)行監(jiān)控的同時，還能根據(jù)采樣頻率（最大100Hz）記錄監(jiān)測到的所有數(shù)據(jù)以及監(jiān)控生成的加工過程曲線。

ToolScope擁有自身獨(dú)立的數(shù)據(jù)存儲空間，可通過USB導(dǎo)出或內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程讀取的方式，導(dǎo)出PNG 格式、可用EXCEL編輯的CSV格式及PDF 格式等文件。ToolScope通過獨(dú)立的硬件來進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、記錄和運(yùn)算，響應(yīng)速度快，全天候監(jiān)控，不占用機(jī)床本身的運(yùn)算能力，不會對機(jī)床的程序、控制和反應(yīng)速度造成影響（見圖3）。

通過可配置的傳感器數(shù)據(jù)，ToolScope使機(jī)床具備了提供數(shù)據(jù)和信息的能力，用文件記錄或網(wǎng)絡(luò)信息交換的方式，能夠持續(xù)地提供機(jī)床狀態(tài)數(shù)據(jù)和加工過程數(shù)據(jù)。

同時，ToolScope通過對加工過程的深入監(jiān)控，能提供工件在機(jī)床上的完整加工過程記錄，作為可追溯的過程質(zhì)量體系文件。文件可匹配工件編號進(jìn)行記錄。配合電腦端的SoftScope軟件，可以對加工過程記錄和警報進(jìn)行分析和回溯，可用于問題分析和改進(jìn)、優(yōu)化工藝等。

（2）Tool Scope自身的網(wǎng)絡(luò)管理。每臺安裝于機(jī)床的ToolScope監(jiān)控器都是雙網(wǎng)卡配置，通過TCP/IP網(wǎng)線連接到內(nèi)部的局域網(wǎng)。可在遠(yuǎn)程電腦上通過局域網(wǎng)IP地址直接訪問ToolScope監(jiān)控器，進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和維護(hù)。ToolScope的機(jī)床數(shù)據(jù)記錄、加工過程記錄以及監(jiān)控設(shè)置等，都可以通過局域網(wǎng)自動上傳至服務(wù)器，或發(fā)送到指定的IP地址。

除了能在機(jī)床操作面板上顯示單機(jī)的監(jiān)控畫面外，還能在遠(yuǎn)程電腦上進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控顯示，以及在獨(dú)立的信號線纜連接的顯示屏、或遠(yuǎn)程通過網(wǎng)絡(luò)連接的顯示屏上顯示特定機(jī)床的實(shí)時監(jiān)控畫面，或集中顯示多臺設(shè)備的監(jiān)控畫面（見圖4）。

（3）機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)顯示和利用率分析。作為全天候在機(jī)床后臺實(shí)時運(yùn)行的設(shè)備，可以利用ToolScope獲取的機(jī)床狀態(tài)數(shù)據(jù)和加工過程數(shù)據(jù)，對機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行集中顯示和記錄，統(tǒng)計實(shí)際加工時間和閑置時間，記錄運(yùn)行程序號、刀具號記錄和時間，分析機(jī)床的有效利用率，為車間設(shè)備管理提供輔助（見圖5）。

（4）無人化生產(chǎn)的解決方案。在實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)和數(shù)字化工廠之后，無人化生產(chǎn)是一個未來的發(fā)展趨勢。ToolScope為自動化生產(chǎn)中最不穩(wěn)定的機(jī)床加工環(huán)節(jié)提供實(shí)時監(jiān)控和主動的通知管理功能，在某臺機(jī)床發(fā)生異常狀態(tài)時，除了及時停機(jī)進(jìn)行保護(hù)外，可以通過運(yùn)行在局域網(wǎng)服務(wù)器上的信息分發(fā)軟件，將相關(guān)的報警信息通過有線或無線設(shè)備通知到生產(chǎn)和刀具的負(fù)責(zé)人員，保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和及時響應(yīng)（見圖6）。

圖3

圖4

圖5

（5）數(shù)據(jù)分享和網(wǎng)絡(luò)化集成。ToolScope有了現(xiàn)場采集得到的機(jī)床狀態(tài)數(shù)據(jù)、加工過程數(shù)據(jù)以及分析計算出的結(jié)果數(shù)據(jù)，可以通過網(wǎng)絡(luò)化集成，按照指定的協(xié)議為第三方信息化管理系統(tǒng)（如DNC、MES、PDM和PLM等）提供數(shù)據(jù)，達(dá)到真正高效及時的數(shù)據(jù)共享。

3 .第三階段：智能化制造

工業(yè)4.0的一個非常重要的目的就是實(shí)現(xiàn)制造業(yè)從自動化向智能化的轉(zhuǎn)變。整個生產(chǎn)系統(tǒng)在通過網(wǎng)絡(luò)化的信息管理組織和實(shí)現(xiàn)各個環(huán)節(jié)之間的數(shù)據(jù)信息交換之后，還需要進(jìn)一步提高其實(shí)時信息、靈活性、自適應(yīng)性和可學(xué)習(xí)等能力，具備容錯能力和風(fēng)險管理能力，然后通過可實(shí)時應(yīng)對的靈活生產(chǎn)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工程的高級自動化和徹底優(yōu)化。另外一個特征是需要在系統(tǒng)中的每個環(huán)節(jié)都實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的增強(qiáng)控制，通過去中心的智能化實(shí)現(xiàn)更加的柔性生產(chǎn)。

目前機(jī)床的狀況是只能執(zhí)行本地存儲的NC程序，并完全按程序的順序執(zhí)行操作，不能自主了解加工過程和刀具的狀況，即使發(fā)生了異常狀況也不會停止。

ToolScope加工過程監(jiān)控系統(tǒng)能夠賦予機(jī)床智慧，自主地判斷設(shè)備、裝夾、加工過程和刀具是否正常，在發(fā)生斷刀、撞刀等異常情況時立即控制停機(jī)，保證過程安全穩(wěn)定。同時還能根據(jù)實(shí)時的加工負(fù)載智能地調(diào)節(jié)進(jìn)給倍率，優(yōu)化加工效率；以及根據(jù)刀具的切削力判斷刀具是否磨損，降低刀具的風(fēng)險和成本。

圖6

（1）自適應(yīng)控制。通常在編程和實(shí)際加工時，每個加工過程和刀軌都只執(zhí)行同一個進(jìn)給F值，無論加工余量如何變化、或在一些難加工部位和遇到材料缺陷時，都無法自主地適用實(shí)時的加工狀況。例如，刀具如果在遇到硬點(diǎn)時還是按原先速度進(jìn)給，就很有可能引起崩刃。

ToolScope在每個加工過程的第一次運(yùn)行后，即可通過學(xué)習(xí)計算出該加工過程的理想負(fù)載，從第二個加工過程就可以開始對進(jìn)給倍率進(jìn)行優(yōu)化。在實(shí)時負(fù)載低于理想負(fù)載時自動按比例提高進(jìn)給倍率，高于理想負(fù)載時自動按比例降低進(jìn)給倍率。進(jìn)給倍率的控制范圍（最大/最小倍率值）可以針對不同的加工內(nèi)容進(jìn)行單獨(dú)設(shè)置。

因此，安裝了ToolScope的機(jī)床就可以在空切削和小余量時自動增加進(jìn)給倍率，提高加工效率和設(shè)備利用率，特別適合用于有很多銑削的加工；同時，在遇到大余量、材料硬點(diǎn)、刀具磨損及工況不穩(wěn)定時，機(jī)床可以自動降低進(jìn)給倍率，有效降低在加工時發(fā)生的振動、噪聲等情況，保護(hù)刀具和主軸，防止刀具損壞，延長刀具壽命（見圖7）。

（2）基于平均切削力的磨損趨勢監(jiān)控。ToolScope在每個加工過程結(jié)束后可以自動分析和計算其平均切削力，對應(yīng)加工過程數(shù)據(jù)進(jìn)行分布顯示。隨著加工次數(shù)的增多，刀具的平均切削力肯定會隨著刀具的磨損而越來越高。

傳統(tǒng)的刀具壽命管理方式通常是技術(shù)人員通過測量零件和觀察刀具切削刃的狀況等經(jīng)驗(yàn)來判斷刀具的磨損程度，或通過按額定的加工件數(shù)強(qiáng)制換刀的方式來進(jìn)行管理。

圖7

ToolScope的平均切削力分析額外提供了一種判斷刀具狀況的手段，并能通過每一次的平均切削力記錄將刀具的磨損趨勢進(jìn)行非常直觀的可視化。在基于技術(shù)人員對刀具達(dá)到最大壽命時的最大平均切削力有了經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，就可以為刀具設(shè)置磨損極限，由安裝ToolScope的機(jī)床來判斷刀具的實(shí)時磨損狀況，并在刀具磨損后發(fā)出報警；如果機(jī)床有專門的備刀庫，還可以實(shí)現(xiàn)自動調(diào)用備刀。同時平均切削力分析還可以進(jìn)行缺刀、缺工件檢測，為異常狀態(tài)監(jiān)控提供輔助支持（見圖8）。

圖8

除了為每臺機(jī)床實(shí)現(xiàn)一定程度的智能化外，ToolScope還為客戶的進(jìn)一步數(shù)字化和智能化建設(shè)預(yù)留接口，面向更加開放的未來。

4.結(jié)語

ToolScope 專注于提升整個加工過程，為智能化生產(chǎn)提供領(lǐng)先、全面的監(jiān)控能力和服務(wù)。不斷推出新的實(shí)用監(jiān)控策略和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展功能，基于一次采購的硬件和后續(xù)的軟件升級服務(wù)，保證客戶始終使用最新的加工過程監(jiān)控技術(shù)。ToolScope加工過程監(jiān)控系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于發(fā)動機(jī)、汽車零部件、航空航天、能源、模具、液壓、重型機(jī)械及機(jī)床等行業(yè)。