生產(chǎn)線刀具破損監(jiān)控系統(tǒng)研制*

錢　峰，董惠敏，董喜望

(大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院數(shù)字化設(shè)計研究所，遼寧 大連　116024)

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生產(chǎn)線刀具破損監(jiān)控系統(tǒng)研制*

錢峰，董惠敏，董喜望

(大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院數(shù)字化設(shè)計研究所，遼寧 大連116024)

摘要：研究數(shù)控生產(chǎn)線的刀具破損監(jiān)控問題，對比現(xiàn)有刀具破損監(jiān)控方法，根據(jù)實際工況要求，設(shè)計基于機(jī)床內(nèi)置功率傳感器的自學(xué)習(xí)刀具破損監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)國外進(jìn)口產(chǎn)品替代。具體實現(xiàn)數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)通訊、接口函數(shù)獲取機(jī)床主軸功率信號、按加工工步分段監(jiān)控的自學(xué)習(xí)刀具破損監(jiān)控功能。并在FANUC數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行了應(yīng)用測試，通過實驗驗證監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：FUANC數(shù)控系統(tǒng)；主軸功率；分段監(jiān)控；刀具破損

0引言

數(shù)控機(jī)床是數(shù)控生產(chǎn)線的核心，也是數(shù)控生產(chǎn)線中最容易出問題的環(huán)節(jié)，對數(shù)控機(jī)床切削刀具破損在線監(jiān)控是保證產(chǎn)品質(zhì)量和提高數(shù)控生產(chǎn)線效率的關(guān)鍵技術(shù)。刀具破損監(jiān)控的方法很多，包括直接監(jiān)控法和間接監(jiān)控法，直接監(jiān)控法包括計算機(jī)圖像處理、光學(xué)測量等；間接監(jiān)控法包括切削力監(jiān)控、主軸功率監(jiān)控、振動監(jiān)控和聲發(fā)射監(jiān)控等[1-6]；直接法雖然監(jiān)控直觀、測量方便，但是一般都是在刀具靜態(tài)時候測量的，不滿足數(shù)控生產(chǎn)線對切削刀具在線監(jiān)控的要求，因此基于數(shù)控生產(chǎn)線的刀具破損監(jiān)控研究的熱點還是間接監(jiān)控法[7]。

國外對刀具破損監(jiān)控的研究起步較早，也取得了一些成果，已經(jīng)有不少商用化的刀具狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。國內(nèi)在這方面近幾年研究的比較多，但是大多數(shù)的刀具破損監(jiān)控成果僅適用于實驗室，鮮有穩(wěn)定可靠商用刀具監(jiān)控系統(tǒng)。ARTIS 刀具破損監(jiān)控系統(tǒng)是對機(jī)床加工過程中刀具斷刀、主軸碰撞等機(jī)床狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控的一套監(jiān)控系統(tǒng)。美國BK Mikro刀具破損監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要帶有一個機(jī)械式的監(jiān)控測頭，能夠感知加工過程中刀具的狀態(tài)變化，并且迅速的反饋刀具狀態(tài)信息。由于國內(nèi)沒有相應(yīng)市場化的刀具狀態(tài)監(jiān)控產(chǎn)品，而國外的刀具狀態(tài)監(jiān)控產(chǎn)品價格昂貴，因此迫切需要開發(fā)穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品來替代國外產(chǎn)品的壟斷，實現(xiàn)國外進(jìn)口產(chǎn)品的替代。

現(xiàn)有的刀具破損監(jiān)控一般都需要外部傳感器，傳感器要么安裝在待加工工件表面，要么安裝在刀具上，有的刀具監(jiān)控系統(tǒng)傳感器的安裝甚至需要改變機(jī)床結(jié)構(gòu)，這種客觀的原因嚴(yán)重的阻礙了刀具監(jiān)控系統(tǒng)的市場化。針對這個問題，本文以數(shù)控生產(chǎn)線批量加工的數(shù)控機(jī)床刀具破損監(jiān)控為研究對象，提出了利用數(shù)控機(jī)床內(nèi)置傳感器獲取刀具監(jiān)控信號來實現(xiàn)加工過程中刀具破損監(jiān)控。

1刀具破損監(jiān)控原理

在切削加工過程中，當(dāng)?shù)毒甙l(fā)生破損時，刀刃狀態(tài)的改變會引起切削力矩發(fā)生變化，從而導(dǎo)致機(jī)床主軸功率發(fā)生改變，因而通過監(jiān)控加工過程中機(jī)床主軸功率就可以監(jiān)控刀具的狀態(tài)。而且機(jī)床主軸功率對刀具破損較為敏感，信號獲取簡單，可避免環(huán)境中的切屑、振動等干擾，是生產(chǎn)實際中刀具破損監(jiān)控較為理想的監(jiān)測信號[8]。

數(shù)控機(jī)床在批量加工過程中，由于加工工藝以及加工參數(shù)不發(fā)生變化，因此在批量加工中，數(shù)控機(jī)床主軸的功率信號在時間軸上具有周期性特點[7]。根據(jù)這一特點，可以實時獲取數(shù)控機(jī)床的功率信息并與一組標(biāo)準(zhǔn)加工功率信號進(jìn)行比較，從而達(dá)到對數(shù)控機(jī)床刀具破損監(jiān)測的目的。

2刀具破損監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

刀具破損監(jiān)控系統(tǒng)總體分為四個模塊，信號采集模塊、學(xué)習(xí)模塊、在線監(jiān)控模塊和預(yù)警模塊。信號采集模塊主要是采集監(jiān)控系統(tǒng)所需要用到的各種信息。學(xué)習(xí)模塊主要存儲新刀加工時的主軸功率數(shù)據(jù)，作為閾值設(shè)定的基準(zhǔn)。在線監(jiān)控模塊則是實時監(jiān)測刀具時候超出設(shè)定的閾值，如若超出相應(yīng)的閾值，則傳遞給預(yù)警模塊信息。當(dāng)實時監(jiān)控時，檢測出當(dāng)前功率超出了設(shè)定的閾值則預(yù)警模塊作用，使機(jī)床產(chǎn)生相應(yīng)的保護(hù)動作。

2.1刀具破損監(jiān)控自學(xué)習(xí)方法

用自學(xué)習(xí)方法進(jìn)行刀具切削狀態(tài)監(jiān)控，就是在批量生產(chǎn)時，先用鋒利的刀刃加工一個工件，保存這一過程的機(jī)床的主軸功率。在以后的加工過程中，實時讀取機(jī)床主軸功率并與之前鋒利刀具切削時保存的功率對比，如果出現(xiàn)超出設(shè)定的閾值，就說明刀具出現(xiàn)破損，從而實現(xiàn)監(jiān)控[9]。監(jiān)控過程如圖1所示。

圖1　自學(xué)習(xí)監(jiān)控原理圖

要監(jiān)控一批零件的加工，只需進(jìn)行一次自學(xué)習(xí)過程，以后的監(jiān)控工作均是重復(fù)實時監(jiān)控過程。用自學(xué)習(xí)方法的前提就是加工要有一定的批量，如果單件生產(chǎn)就無法應(yīng)用或從經(jīng)濟(jì)角度是不可取的。該方法要求加工過程的重復(fù)性包括所加工工件毛坯相同、切削刀具相同、切削用量相同。一般在批量生產(chǎn)中，確定了零件生產(chǎn)工藝，就不會隨意更改，因此批量生產(chǎn)過程可保證加工過程嚴(yán)格重復(fù)[10]。自學(xué)習(xí)方法的根本點就是將實際加工過程的監(jiān)控數(shù)據(jù)與自學(xué)習(xí)過程的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)相比較，這就要求必須在相同的條件下進(jìn)行比較，即數(shù)據(jù)同步。實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步對比也是自學(xué)習(xí)監(jiān)控方法的關(guān)鍵技術(shù)。

2.2監(jiān)控系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)

本文開發(fā)的基于自學(xué)習(xí)的刀具破損監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，刀具的切削狀態(tài)由主軸的功率變化來間接反映，主軸功率信號和加工代碼等輔助信息通過數(shù)控機(jī)床的內(nèi)置傳感器采集，由本文編寫的FOCAS2接口軟件實時讀取。實時讀取的功率信號進(jìn)入監(jiān)控模塊并依據(jù)相應(yīng)的判定規(guī)則做出刀具是否破損的判定，若果判定破損，則給出相應(yīng)的報警提示。

生產(chǎn)線數(shù)控機(jī)床在加工過程中切削加工的模式為自動狀態(tài)，此時主軸和進(jìn)給軸都運動，當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)檢測到刀具破損信號時，系統(tǒng)發(fā)出一個觸發(fā)信號給機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，使其修改數(shù)控機(jī)床的操作模式為手動狀態(tài)，而機(jī)床的手動狀態(tài)則只是主軸轉(zhuǎn)動，進(jìn)給停止，這樣當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)檢測到刀具破損信號時，就使得數(shù)控機(jī)床進(jìn)給停止，阻止了刀具和工件進(jìn)一步接觸。

圖2　監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3監(jiān)控信號采集模塊

數(shù)控機(jī)床一般都有內(nèi)置傳感器，常用的內(nèi)置傳感器有檢測各個軸轉(zhuǎn)速的測速發(fā)電機(jī)和脈沖編碼器，檢測位置的直線光柵和光電編碼器以及檢測各個軸功率的霍爾傳感器。使用Microsoft Visual Basic 或者Visual C++，配合FANUC 提供的FOCAS2應(yīng)用程序接口(API)進(jìn)行自主編程就可以采集到機(jī)床的各個軸的實時轉(zhuǎn)速，各個軸的實時功率以及刀架的位置和當(dāng)前加工程序等一系列信息。通過FANUC技術(shù)支持提供的信息，實時采集信號的頻率可以達(dá)到40HZ，對于本文所運用的自學(xué)習(xí)刀具破損監(jiān)控原理，能夠滿足實時監(jiān)控要求。信號采集過程如圖3所示。

圖3　信號采集流向圖

2.4系統(tǒng)學(xué)習(xí)模塊和在線監(jiān)控模塊

在學(xué)習(xí)和監(jiān)控模塊，為了實現(xiàn)分段監(jiān)控和數(shù)據(jù)同步對比本文采用對加工數(shù)控程序代碼進(jìn)行解析。一個工序的數(shù)控加工程序包含有多行NC代碼，而這些NC代碼一般由多個加工工步的NC代碼組成，包含切削過程和非切削過程指令代碼。加工人員根據(jù)工藝編寫相應(yīng)的數(shù)控程序，在數(shù)控程序每個工步前分別定義工序號、工步號、刀號、刃號，并分別在數(shù)控程序中每個工步的數(shù)控代碼行指令前加上一行空代碼#29=1，該工步結(jié)束數(shù)控代碼指令后一行加上空代碼#29=0。這樣一段正常加工的NC程序就按不同的工步被#29=1和#29=0分為多個片段，其中每對#29=1和#29=0之間的NC代碼就是刀具切削工件的過程的NC代碼#29=1和#29=0之外的數(shù)控程序代碼是非切削過程的NC代碼。上述過程就是對數(shù)控代碼按工步分段解析的過程。解析完后的數(shù)控程序代碼將切削過程和非切削過程以空代碼#29=1和#29=0明顯的區(qū)分開了，刀具破損監(jiān)控時只需要對#29=1和#29=0之間的加工過程進(jìn)行監(jiān)控。數(shù)控代碼分段解析過程如圖4所示。

圖4　數(shù)控程序解析示意圖

學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)與實時監(jiān)控數(shù)據(jù)同步對比是實現(xiàn)自學(xué)習(xí)刀具破損監(jiān)控的關(guān)鍵技術(shù)之一。自學(xué)習(xí)刀具破損監(jiān)控要求采集的學(xué)習(xí)功率信號和實時監(jiān)控功率信號在相同的條件下進(jìn)行對比，即學(xué)習(xí)曲線和實時監(jiān)控曲線對比的時候不能有相位差，數(shù)據(jù)同步對比如圖5所示，圖5a為非同步對比，圖5b為同步對比。

圖5　學(xué)習(xí)曲線與監(jiān)控曲線同步對比

在學(xué)習(xí)階段，監(jiān)控系統(tǒng)讀取當(dāng)前執(zhí)行數(shù)控程序名和當(dāng)前執(zhí)行每一行代碼的行號，當(dāng)讀取到#29=1這一行NC代碼時，系統(tǒng)開始讀取并保存主軸功率，直到讀取到#29=0這一行NC代碼時，停止讀取主軸功率，同時保存該工步的工步號、刀號。接下來繼續(xù)讀取當(dāng)前執(zhí)行的代碼，當(dāng)讀取到下一對#29=1和#29=0執(zhí)行上述相同的邏輯，這樣一整條數(shù)控程序執(zhí)行完后，在學(xué)習(xí)階段就完成了整條數(shù)控程序中若干個工步切削過程主軸功率數(shù)據(jù)的存儲。學(xué)習(xí)過程的算法如圖6所示。

圖6　學(xué)習(xí)過程算法框圖

刀具破損自學(xué)習(xí)監(jiān)控的閾值設(shè)定方式和閾值大小設(shè)定直接影響這監(jiān)控的效果，閾值設(shè)定方式有直線閾值和曲線閾值，直線閾值適合于粗加工，曲線閾值適合于半精加工和精加工。根據(jù)不同的加工選擇不同的閾值設(shè)定方式。閾值設(shè)置得過小，監(jiān)控系統(tǒng)反應(yīng)太靈敏，容易產(chǎn)生誤報；閾值設(shè)置的過大，可能會漏掉某些破損報警。本文提出一種基于工步分別設(shè)置不同閾值的方法，在粗加工和對零件精度要求不嚴(yán)格的工步設(shè)置較大的閾值，在精加工和對零件精度要求較高的工步設(shè)置較小的閾值。這種基于工步特征設(shè)置不同監(jiān)控閾值的方法相對于對整個加工程序設(shè)置一個相同的閾值更加的合理。

在實時監(jiān)控階段，監(jiān)控系統(tǒng)讀取當(dāng)前執(zhí)行程序名和當(dāng)前執(zhí)行代碼，首先判斷當(dāng)前執(zhí)行程序名和學(xué)習(xí)階段執(zhí)行的程序名是否相同，若相同，則讀取當(dāng)前執(zhí)行代碼，當(dāng)讀取到#29=1這一行代碼時，系統(tǒng)開始讀取執(zhí)行代碼和主軸功率，同時將采集到的工步號、刀號與學(xué)習(xí)階段保存工步號、刀號匹配，并將實時采集的主軸功率與匹配上對應(yīng)學(xué)習(xí)時的功率逐點對比，判斷是否超出設(shè)定的閾值，當(dāng)讀取到#29=0這一行代碼時，結(jié)束讀取數(shù)據(jù)，直到整個加工程序結(jié)束。學(xué)習(xí)階段的算法如圖7所示。

圖7　監(jiān)控過程算法框圖

3刀具破損監(jiān)控系統(tǒng)軟件開發(fā)

針對上文介紹的自學(xué)習(xí)刀具破損監(jiān)控原理和算法，運用Visual C++和SQL SERVER開發(fā)工具開發(fā)了刀具破損監(jiān)控軟件，實現(xiàn)了自動生產(chǎn)線批量生產(chǎn)刀具破損實時在線監(jiān)控功能。軟件主要實現(xiàn)批量加工時刀具破損。

學(xué)習(xí)時，按照解析之后的數(shù)控加工代碼加工一個標(biāo)準(zhǔn)零件，存儲加工過程中的主軸功率數(shù)據(jù)，在整個數(shù)控代碼的所有工步執(zhí)行完之后完成學(xué)習(xí)過程。

閾值設(shè)定時首先選擇閾值的形式，有直線閾值和曲線閾值兩種可供選擇。閾值的大小是相對于學(xué)習(xí)曲線來計算的，曲線形式的閾值上限是學(xué)習(xí)樣本中最大功率值的設(shè)定百分比加上當(dāng)前每個時刻功率，閾值下限是學(xué)習(xí)樣本中每個時刻的功率值減去最小功率的設(shè)定百分比。直線形式的閾值上限是學(xué)習(xí)樣本中最大值加上最大功率值的設(shè)定百分比，閾值下限是學(xué)習(xí)樣本中最小值減去最小功率的設(shè)定百分比。在所有工步學(xué)習(xí)完后可以給每個工步分別設(shè)定不同的閾值大小。

實時監(jiān)控時，系統(tǒng)實時讀取當(dāng)前主軸功率，并與學(xué)習(xí)樣本同步對比，判斷當(dāng)前主軸功率是否超出設(shè)定的閾值上下限，若超出，則監(jiān)控系統(tǒng)報警，數(shù)控機(jī)床進(jìn)給停止。刀具破損監(jiān)控系統(tǒng)的界面圖8、圖9所示。

圖8　學(xué)習(xí)模式主界面

圖9　實時監(jiān)控主界面

4應(yīng)用測試

為了驗證監(jiān)控系統(tǒng)的效果，做了如下的實驗：

實驗機(jī)床使用的是沈陽機(jī)床A5-T2單機(jī)自動化數(shù)控機(jī)床，數(shù)控操作系統(tǒng)為FANUC-0i-mate，實驗試件為Cr40階梯軸，刀具采用的是SANDVIK外圓粗加工車刀和外圓精加工車刀，刀具材料為硬質(zhì)合金。加工工序含有兩個工步，用粗加工刀具加工階梯軸外圓，切削用量為切削速度V=200m/min，進(jìn)給量f=0.5mm/r，背吃刀量ap=3.5mm，上下閾值均設(shè)定為40%。精加工切削用量為切削速度V=500 m/min，進(jìn)給量f=0.2mm/r，背吃刀量ap=1.0mm，上下閾值均設(shè)定為25%。刀具破損是隨機(jī)發(fā)生的，為了使加工過程中刀具發(fā)生破損，在工件中嵌入硬質(zhì)點，這樣當(dāng)?shù)都馀龅接操|(zhì)點時，刀具必將破損。實驗中一共切削了50個工件，其中25個工件在粗加工工步嵌入硬質(zhì)點，25個工件在精加工工步嵌入硬質(zhì)點。粗加工工步中當(dāng)切屑到工件含有硬質(zhì)點部位時，全部監(jiān)控到，準(zhǔn)確率100%，精加工工步當(dāng)切削到工件含有硬質(zhì)點部位時，監(jiān)控到了24個，有兩個沒有報警，報警準(zhǔn)確率98%。

5結(jié)論

本文論述了基于FANUC 提供的FOCAS2應(yīng)用程序接口(API)進(jìn)行自主編程獲刀具破損取監(jiān)控信號，為數(shù)控機(jī)床狀態(tài)監(jiān)控信號獲取方式的進(jìn)一步研究提供了借鑒意義。采用數(shù)控機(jī)床內(nèi)置傳感器獲取監(jiān)控信號，很好的解決了傳統(tǒng)刀具破損監(jiān)控傳感器的安裝難題。結(jié)合NC代碼解析來甄別切削過程和非切削過程解決了以往刀具破損監(jiān)控對整個加工過程監(jiān)控的盲目性，為后續(xù)研究刀具破損監(jiān)控拓展了研究思路。開發(fā)的刀具破損監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在企業(yè)中，實踐證明本系統(tǒng)監(jiān)控效果良好運行可靠。

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(編輯李秀敏)

Production Line Tool Breakage Monitoring System Development

QIAN Feng，DONG Hui-min，DONG Xi-wang

(Digital Design Institute, School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology,Dalian Liaoning 116024, China)

Abstract：The paper studies on tool breakage monitoring of NC production line.By comparing existing tool breakage monitoring methods,according to the actual working condition requirements,this paper designs self-learning tool breakage monitoring system based on machine tool with a built-in power sensor,and implement replacement of imported products.This system concrete implements NC machine tools networking communication, interface function for machine tool spindle power signal, and self-learning tool breakage monitoring function according to the piecewise monitoring of working steps.And an application test in NC machine tool of FUANC NC system verifies that tool breakage monitoring system is stable and reliable.

Key words：FUANC CNC system; power; section monitor; tool breakage

中圖分類號：TH164;TG506

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：錢峰(1977—)，男，安徽淮南人，大連理工大學(xué)講師，碩士，研究方向為生產(chǎn)線設(shè)計與信息管理，(E-mail)qianfeng@dlut.edu.cn。

*基金項目：國家科技重大專項資助項目(2013ZX04012-071)；大連理工大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(DUT14QY27)

收稿日期：2015-04-29；修回日期：2015-05-13

文章編號：1001-2265(2016)03-0071-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.03.020