ARTIS刀具監(jiān)控系統(tǒng)在航空結(jié)構(gòu)件銑削加工中的應(yīng)用

朱紹維　李衛(wèi)東　湯立民　杜　麗

1.中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，成都，6100922.電子科技大學(xué)，成都，611731

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ARTIS刀具監(jiān)控系統(tǒng)在航空結(jié)構(gòu)件銑削加工中的應(yīng)用

朱紹維1,2李衛(wèi)東1湯立民1杜麗2

1.中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，成都，6100922.電子科技大學(xué)，成都，611731

針對ARTIS刀具監(jiān)控系統(tǒng)在航空結(jié)構(gòu)件數(shù)控銑削加工應(yīng)用中存在的問題，分析了航空結(jié)構(gòu)件典型特征銑削加工過程中ARTIS監(jiān)控信號的變化規(guī)律，提出了一套減少監(jiān)控誤報(bào)警的應(yīng)用方案。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，按照該方案進(jìn)行監(jiān)控，誤報(bào)率明顯降低，從而提高了監(jiān)控準(zhǔn)確性。

刀具監(jiān)控；ARTIS；航空結(jié)構(gòu)件；數(shù)控銑削加工

0　引言

航空結(jié)構(gòu)件多采用航空鋁合金、鈦合金等高價格、難加工材料，材料去除率高達(dá)90%以上，加工周期長，生產(chǎn)成本高。因此，數(shù)控加工過程中因刀具磨損、破損以及錯誤的操作和走刀路徑等造成的零件損傷，將導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為適應(yīng)航空制造業(yè)的發(fā)展需求，近年來，國內(nèi)一些大型航空制造企業(yè)均引進(jìn)了ARTIS刀具監(jiān)控系統(tǒng)。

ARTIS刀具監(jiān)控系統(tǒng)通過實(shí)時監(jiān)測加工過程中的主軸扭矩、振動等物理信號來間接監(jiān)測刀具狀態(tài)，當(dāng)監(jiān)測信號達(dá)到設(shè)定的刀具磨損、破損極限時，會立即報(bào)警并停止機(jī)床運(yùn)行，從而保護(hù)零件和機(jī)床。目前，該系統(tǒng)已在一些零件批量大、加工過程簡單的自動化生產(chǎn)中得到了成熟應(yīng)用。但是，在航空結(jié)構(gòu)件數(shù)控銑削加工中，由于加工時間長、加工過程復(fù)雜，監(jiān)控系統(tǒng)易受加工狀態(tài)變動的影響而產(chǎn)生誤報(bào)警。因此，要實(shí)現(xiàn)其有效應(yīng)用，必須結(jié)合典型航空結(jié)構(gòu)件的工藝特點(diǎn)對其開展應(yīng)用研究。

目前，對于ARTIS刀具監(jiān)控系統(tǒng)在航空結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工中的應(yīng)用，國內(nèi)還沒有展開深入研究。大連機(jī)床集團(tuán)技術(shù)中心[1]、沈陽第一機(jī)床廠[2]、北京航空制造工程研究所[3]等機(jī)床制造企業(yè)均掌握了ARTIS刀具監(jiān)控系統(tǒng)的軟硬件安裝與配置，但沒有開展針對零件的應(yīng)用研究；賀毅[4]提出了一些ARTIS刀具監(jiān)控系統(tǒng)在航空結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工中的應(yīng)用思路，但并未結(jié)合具體的零件開展實(shí)際的工程應(yīng)用研究。即使在國外，也未見相關(guān)成熟的應(yīng)用案例。為實(shí)現(xiàn)ARTIS在航空結(jié)構(gòu)件數(shù)控銑削加工中的有效應(yīng)用，本文分析了航空結(jié)構(gòu)件典型特征銑削加工過程中ARTIS監(jiān)控信號的變化規(guī)律，總結(jié)出一套減少誤報(bào)警的監(jiān)控方案。實(shí)際應(yīng)用案例表明，按照該方案進(jìn)行監(jiān)控，可有效降低誤報(bào)率，提高監(jiān)控的準(zhǔn)確性。

1　ARTIS監(jiān)控原理

1.1軟硬件結(jié)構(gòu)

ARTIS刀具監(jiān)控系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包含CTM卡、傳感器系統(tǒng)和監(jiān)控軟件CTMViSu三個部分：

(1)CTM卡。CTM卡是ARTIS的核心部分，負(fù)責(zé)監(jiān)控處理，它通過PCI或ISA卡槽與PCU相連，通過PROFIBUS與NC相連，通過ARTIS傳感器總線與各測量轉(zhuǎn)換器相連，并帶有存儲卡保存監(jiān)控號、參數(shù)設(shè)置、采集數(shù)據(jù)及截圖等信息；每個CTM卡具有四個通道。

(2)傳感器系統(tǒng)。ARTIS支持力、扭矩、功率、振動、聲發(fā)射等多種外接傳感器；此外，可通過控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線上的數(shù)字耦合器(也稱為數(shù)字扭矩適配器——DTA)，直接使用數(shù)控驅(qū)動裝置中已有的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)無傳感器監(jiān)控。

(3)監(jiān)控軟件CTMViSu。CTMViSu運(yùn)行在PCU上，通過二次開發(fā)嵌入HMI中，提供監(jiān)控參數(shù)設(shè)置、監(jiān)控信息顯示等人機(jī)交互功能。

圖1　ARTIS刀具監(jiān)控系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)[5]

1.2運(yùn)行過程

ARTIS與數(shù)控系統(tǒng)集成，通過在NC程序中加入相應(yīng)的M和H指令啟停監(jiān)控、設(shè)定監(jiān)控號，使得監(jiān)控過程自動運(yùn)行。如圖2所示，ARTIS監(jiān)控運(yùn)行過程中，傳感器系統(tǒng)實(shí)時采集功率、扭矩、振動等物理信號，并通過測量轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后傳至CTM卡；CTM卡將實(shí)時采集的數(shù)據(jù)與極限值進(jìn)行比較，判斷是否出現(xiàn)刀具磨損、破損以及缺刀等情況，若出現(xiàn)則向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送控制指令和報(bào)警信息；同時，CTMViSu軟件實(shí)時讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，顯示監(jiān)控曲線、監(jiān)控號、監(jiān)控模式、監(jiān)控狀態(tài)、報(bào)警等信息，用戶可通過在CTMViSu中修改監(jiān)控參數(shù)來更改監(jiān)控過程。

圖2　ARTIS監(jiān)控運(yùn)行流程

1.3監(jiān)控模式

為適應(yīng)不同的加工過程，ARTIS提供以下多種監(jiān)控模式：

(1)Standard模式。通過對前兩次加工進(jìn)行學(xué)習(xí)來確定放大系數(shù)和參考曲線，之后將每次加工的信號曲線與參考曲線進(jìn)行對比來判斷刀具狀態(tài)，適用于鉆孔、攻絲、車削等簡單、大批量自動化加工過程，其設(shè)置流程如圖3所示。

圖3　Standard模式設(shè)置流程[6]

(2)SAS模式。SAS模式是在Standard模式的基礎(chǔ)上添加了監(jiān)控極限的自動調(diào)整功能，可在一定程度上減少因加工過程波動引起的誤報(bào)警。

(3)dx/dt模式：與Standard模式完全不同，dx/dt模式是采集一段時間內(nèi)的信號來確定上下動態(tài)極限，通過動態(tài)極限來識別后續(xù)加工中刀具磨損、破損引起的快速信號變化，適用于加工時間長、加工過程穩(wěn)定的單件、小批量零件加工過程。

2　ARTIS在航空結(jié)構(gòu)件數(shù)控銑削中的應(yīng)用分析

2.1監(jiān)控模式選擇

航空結(jié)構(gòu)件材料切除率高、加工時間長，多數(shù)工步中需要暫停加工、更換刀具(特別是鈦合金等難加工材料)；此外，航空結(jié)構(gòu)件加工批量小，實(shí)際生產(chǎn)中，每臺機(jī)床上加工的零件變化大。

若采用Standard模式，學(xué)習(xí)量太大，ARTIS提供的存儲空間難以滿足；更重要的是加工工藝或加工進(jìn)程的微小變化均會導(dǎo)致監(jiān)控失效，而目前國內(nèi)航空結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工還未完全實(shí)現(xiàn)自動化，加工進(jìn)程常常受到人工干預(yù)。

若采用dx/dt模式，要求加工過程穩(wěn)定，學(xué)習(xí)時間段內(nèi)的加工信號與整個加工過程一致，而航空結(jié)構(gòu)件加工工藝復(fù)雜，多數(shù)工步中都存在加工狀態(tài)的變動，很可能導(dǎo)致誤報(bào)警。

綜上所述，根據(jù)航空結(jié)構(gòu)件的實(shí)際加工現(xiàn)狀，只能選擇dx/dt模式，通過采取其他措施盡量保證加工過程穩(wěn)定來控制誤報(bào)警。為此，需要分析航空結(jié)構(gòu)件典型特征加工過程中的監(jiān)控誤報(bào)警情況及原因。

2.2監(jiān)控過程分析

本文跟蹤了某典型航空結(jié)構(gòu)件銑削加工中主軸扭矩(DTA)和主軸振動(VG4)的監(jiān)控過程(dx/dt模式)，典型特征加工過程中出現(xiàn)監(jiān)控誤報(bào)警的情況如下：

(1)筋頂銑削。進(jìn)刀處，特別是刀具側(cè)刃也參與切削時，刀具與工件的接觸面積突然從無到有，主軸扭矩及振幅均會急劇增大并導(dǎo)致報(bào)警，切入零件后加工過程變得平穩(wěn)，主軸扭矩和振幅均急劇減小，如圖4所示。

(a)加工位置　　　(b)功率曲線　　　(c)振幅曲線　圖4　筋頂銑削進(jìn)刀時的監(jiān)控曲線

(2)內(nèi)外形銑削。平穩(wěn)的加工過程中，隨著切深的逐漸增大，主軸功率逐漸增大，主軸振幅小且穩(wěn)定；進(jìn)刀處，特別是凸臺旁進(jìn)刀時，刀具與工件的接觸面積突然從無到有，主軸扭矩急劇增大導(dǎo)致報(bào)警，切入零件后加工過程變得平穩(wěn)，主軸扭矩急劇減小，但整個進(jìn)刀過程中主軸振幅僅有微小波動，如圖5所示。

(a)加工位置　　　(b)功率曲線　　(c)振幅曲線　圖5　外形銑削凸臺旁進(jìn)刀時的監(jiān)控曲線

(3)轉(zhuǎn)角插銑。進(jìn)刀處，主軸扭矩和振幅小幅增大，進(jìn)入穩(wěn)定切削后，主軸扭矩穩(wěn)定、振幅減小且穩(wěn)定；但若插銑過程中刀具接觸了腹板，接觸瞬間主軸振幅將急劇增大導(dǎo)致報(bào)警，如圖6所示。

(a)加工位置　　　(b)功率曲線　　(c)振幅曲線　圖6　插銑中刀具接觸腹板時的監(jiān)控曲線

(4)帶凸臺腹板銑削。整個切削過程中，刀具與材料的接觸面積不斷變化，主軸扭矩隨之小幅變化，僅在轉(zhuǎn)角處有較明顯增大；而主軸振幅變化大且復(fù)雜，與刀具與工件的接觸面積變化、切削部位的工件剛性及銑削方式(如順銑和逆銑)有關(guān)，如圖7、圖8所示。

圖7　腹板銑削中刀具與工件接觸面積變化時的監(jiān)控曲線

(a)功率曲線　　　　　　　　(b)振幅曲線圖8　腹板銑削中順銑變逆銑時的監(jiān)控曲線

對比了采用新刀具和嚴(yán)重磨損刀具加工腹板相同部位時的監(jiān)控曲線，如圖9所示，可以看出：刀具嚴(yán)重磨損后，主軸功率僅有小幅增大，其變化程度與瞬時切除體積的相關(guān)性更大；振動方面，在某些位置主軸最大振幅大幅提高，但是受工藝波動影響整體上仍呈現(xiàn)頻繁的高低變化。

(a)磨損前功率曲線　　　　(b)磨損前振幅曲線

(c)嚴(yán)重磨損后功率曲線　　(d)嚴(yán)重磨損后振幅曲線圖9　腹板銑削中刀具嚴(yán)重磨損前后的監(jiān)控曲線對比

3　ARTIS在航空結(jié)構(gòu)件數(shù)控銑削中的應(yīng)用方案

使用ARTIS的最終目標(biāo)是：刀具磨損到一定程度或破損時能及時報(bào)警并停止加工，防止零件損傷，同時又要避免誤報(bào)警的產(chǎn)生，保證正常加工過程的順利進(jìn)行。根據(jù)上述分析，在航空結(jié)構(gòu)件數(shù)控銑削加工中，工藝波動對監(jiān)控信號的影響比刀具磨損的影響要大得多，因此，要達(dá)到ARTIS的應(yīng)用目標(biāo)，必須消除加工過程波動引起的監(jiān)控曲線變化。為此，本文提出以下應(yīng)用措施：

(1)穩(wěn)定加工過程。工藝人員在編程過程中，應(yīng)盡量使加工過程平穩(wěn)，如在符合工藝要求的情況下，在同一條NC程序中使用相同的切削參數(shù)，避免插銑中刀具接觸腹板等。

(2)分段監(jiān)控。多數(shù)航空結(jié)構(gòu)件銑削加工過程中，發(fā)生波動的只是少量的程序段，因此，可采取分段監(jiān)控，即只監(jiān)控穩(wěn)定的程序段，從而消除誤報(bào)警，在保證正常加工進(jìn)程的同時使其在較大程度上起到監(jiān)控作用。程序段可根據(jù)刀具軌跡和切削參數(shù)來劃分，結(jié)合CAM軟件的二次開發(fā)包(如CATIA的CAA)開發(fā)分段工具來實(shí)現(xiàn)。另外，對于不同的加工狀態(tài)，需要通過試驗(yàn)確定合適的ARTIS監(jiān)控參數(shù)(放大倍率、極限值等)并保存到不同的監(jiān)控號中，形成監(jiān)控號庫。在工藝準(zhǔn)備中，根據(jù)每一個監(jiān)控段的工藝信息賦予相應(yīng)的監(jiān)控號。

(3)手動設(shè)置監(jiān)控參數(shù)。監(jiān)控參數(shù)(放大倍率、動態(tài)極限等)的設(shè)置采用手動方式，具體數(shù)值通過試驗(yàn)獲得，避免自動采樣設(shè)置過緊的極限以及縮短監(jiān)控時間。

(4)尖峰抑制。對于刀具與工件接觸面積突變引起監(jiān)控信號突變的情況，通過設(shè)置Fading out peaks和Spike gating參數(shù)進(jìn)行尖峰抑制/過濾，避免誤報(bào)警，具體參數(shù)值通過試驗(yàn)確定。

(5)基于最差工況的監(jiān)控。對于波動大且頻繁的加工過程(如帶凸臺的腹板加工)，難以將加工狀態(tài)變化導(dǎo)致的監(jiān)控曲線變化分離出來，可僅設(shè)置靜態(tài)極限對最差工況進(jìn)行監(jiān)控。最差工況的主軸扭矩、振動等信息可通過試驗(yàn)或從實(shí)際加工中獲取。

基于上述應(yīng)用措施，筆者采用CATIA CAA和VS平臺開發(fā)了程序分段和監(jiān)控號自動添加工具，并開展了實(shí)際的應(yīng)用驗(yàn)證。以圖4～圖7所示的零件為例，整個加工過程中僅發(fā)生一次誤報(bào)警，誤報(bào)率減少了90%以上，并在腹板加工中成功監(jiān)控到刀具嚴(yán)重磨損的情況，避免了可能發(fā)生的零件燒傷。

4　結(jié)論

(1)消除工藝變動的影響是提高刀具監(jiān)控準(zhǔn)確率的關(guān)鍵。

(2)不同狀態(tài)下，主軸功率、振動等物理信號對刀具磨損的敏感程度不一樣，通過多種物理信號的融合可提高監(jiān)控準(zhǔn)確性。

(3) ARTIS等刀具監(jiān)控系統(tǒng)具有其特定的應(yīng)用條件，要實(shí)現(xiàn)其在復(fù)雜加工過程中的有效應(yīng)用，必須結(jié)合具體的零件加工工藝和企業(yè)生產(chǎn)模式，在工藝前端進(jìn)行必要的開發(fā)。

[1]高艷玲,賈召彬,杜春雷.刀具實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床, 2010 (11): 16-18.

Gao Yanling,Jia Zhaobin,Du Chunlei.Research on the Tool Real-time Monitoring System[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2010 (11): 16-18.

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[5]ARTIS 刀具監(jiān)控功能介紹及處理方案[EB/OL].[2015-06-21]. http://wenku.baidu.com/link?url=qEUfO0xRcSxMDDYfCaL_LVxgyW1yxuJKtFHpuMMU0_pq8wuf56AAGaufNDuGCWUTLScn5IMxRlzHvY8uXo00TfQ8ZKUKDEZNTgO2cpaobS7.

[6]Monitoring Method “Standard”.CTM User Manual [M]. Hamburg: ARTIS GmbH, 2014.

(編輯陳勇)

ARTIS Tool Monitoring System Using in Milling of Aerospace Structural Components

Zhu Shaowei1,2Li Weidong1Tang Limin1Du Li2

1.AVIC Chengdu Aircraft Industrial (Group) Co.,Ltd., Chengdu, 610092 2.University of Electronic Science and Technology, Chengdu, 611731

In order to figure out the problems when ARTIS was used in milling of aerospace structure components, the variation rules of monitoring signals relative to representative part features were analyzed. Consequently, a few of application solutions was proposed to reduce the false alarms. Application cases show that the false alarm is reduced obviously, and the monitoring accuracy is improved.

tool monitoring; ARTIS; aerospace structural component; NC milling

2015-10-16

國家科技重大專項(xiàng)(2013ZX04001-121)

TH164

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.15.009

朱紹維，男，1987年生。中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司工程師、電子科技大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士后研究人員。主要研究方向?yàn)閿?shù)控加工、智能制造。發(fā)表論文10余篇。李衛(wèi)東，男，1972年生。中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司數(shù)控加工廠高級技師。湯立民，男，1955年生。中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究員級高級工程師、特級技術(shù)專家。杜麗，女，1970年生。電子科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院教授。