基于節(jié)能的高速CNC機床集成監(jiān)控系統(tǒng)設計

鄭麗 黃學輝 劉仲彪

摘 要： 復雜工況對于高速 CNC機床加工的精度以及其安全都有很大的影響，因此要設定檢測參數(shù)閥值，通過檢測數(shù)據(jù)預期對比來判斷加工工況是否安全。設計了基于高速技術的高速CNC機床集成監(jiān)控系統(tǒng)，對該系統(tǒng)的工藝進行了設計，同時還設計了系統(tǒng)硬件以及開發(fā)了PLC軟件程序，另外對傳感器選型進行了說明，并且完成高速與840D/828D 數(shù)控系統(tǒng)的無縫銜接。最后通過實際試驗證明了該監(jiān)控系統(tǒng)提高了高速CNC機床在復雜工況下工作的安全性以及生產(chǎn)過程的可控性，同時使得生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量以及其效率得到了保障。

關鍵詞： 高速車削；工況預測；集成監(jiān)控；高速

高速CNC機床加工的過程具有柔性化及動態(tài)化等特點，所以加工過程及其運行狀態(tài)的監(jiān)控均包含有明顯的復雜性。盡管我國當前自主研制的機床的定位及反復定位精度已經(jīng)很高，但是由于加工的過程很復雜，同時伴隨有振動、刀具損耗和熱力耦合變形等要素影響，從而致使生產(chǎn)精度及穩(wěn)定性等特性降低，所以生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性及可 靠性、產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率等方面和先進國家還有很大的距離。實際生產(chǎn)過程中，由于工藝參數(shù)的合理選擇、切削振動、刀具磨損、受熱變形等諸多影響因素致使加工成品與理論模型之間存在誤差，設備性能的發(fā)揮和壽命的保障、加工效率和成本等都是需要考慮的因素，這些都離不開加工過程監(jiān)測技術。

機床和加工過程的監(jiān)控技術是獲取信息、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的途徑，是實現(xiàn)數(shù)字制造、智能制造的前提和基礎，是進行高效、高質(zhì)、安全、可靠加工的有利保障，只有對機床、刀具和加工過程進行監(jiān)測，才能獲知設備和過程狀態(tài)信息，從而據(jù)此進行智能優(yōu)化控制，所以說先進的監(jiān)控技術是實現(xiàn)智能制造和使機床變聰明的基礎和唯一可行的途徑。

1、集成監(jiān)控系統(tǒng)工藝設計

高速CNC機床復雜工況下集成監(jiān)控系統(tǒng)工藝流程在加工開始之前，利用虛擬測試過程實現(xiàn)每一項代表性工況的檢測工作并將其特性保存至數(shù)據(jù)庫，同時作為工況的辨別以及其參數(shù)優(yōu)化的參考依據(jù)。

高速的監(jiān)控將涉及全部生產(chǎn)過程，針對如碰撞、刀具破損、崩刃、超載及顫振等突發(fā)性事故完成實時檢測甄別，然后動態(tài)檢測刀具的損耗程度以及切削的振動狀態(tài)，當檢測到刀具損耗時開啟機器視覺過程以此來確定其損耗程度，在線檢過程完成主要節(jié)點以及加工結(jié)束的檢測，以此來確保生產(chǎn)質(zhì)量。

該集成監(jiān)控 系統(tǒng)利用數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)對復雜工況的控制，將測頭及CCD看成刀具安設在對應的位置，利用數(shù)控程序及機床自身的 工作實現(xiàn)其檢測，因此該集成監(jiān)控系統(tǒng)不僅僅含有對硬件的集成而且還有對軟件的集成。

2、監(jiān)控系統(tǒng)設計

將檢測到的主軸電 機功率 信號及切削振動信實時傳輸?shù)?40D/828D 數(shù)控系統(tǒng)及上位機，并且通過840D/828D HMI R 變量模式可以對保存在200～203范圍內(nèi)的檢測數(shù)據(jù)進行實時查看，同時利用數(shù)控系統(tǒng)實時處理檢測數(shù)據(jù)并 實行對應的控制步驟，然后利用上位機監(jiān)控界面實現(xiàn)對檢測數(shù)據(jù)的實時顯示。

3、試驗結(jié)果

HTC2550hs高速數(shù)控車削中心，數(shù)控系統(tǒng)西門子828D 系列，選取加工直徑是600mm 的45鋼棒料，主軸的 轉(zhuǎn)速、電機 功率及最高 扭 矩分別是 0～6000轉(zhuǎn)、20.5/15kW 及162N·m，X 軸及 Z軸的移動 速 度 和 進 給 電 機 功 率 分 別 是 60m/min 和4.71kW，Z軸（主軸）、X 軸的最高進給抗力分別是1290N、1720N，人為設定六種不同的工況條件，其試驗結(jié)果見。對于預設的過載、碰撞、顫振、刀具嚴重磨損的異常工況識別和處理，不同級別的警報響起，警燈點亮，并記錄下此時的最大值和持續(xù)時間。

4、結(jié) 論

基于多傳感器的高速CNC 集成監(jiān)控系統(tǒng)不僅提升了加工過程的可靠性及可控性，而且還提升了其穩(wěn)定性以及加工質(zhì)量與效率。同時用戶可以很簡單、方便、直觀的運用該系統(tǒng)，在很大程度上提高了 其對復雜工況的預測感知能力以及監(jiān)控能力。