ARTIS刀具監(jiān)控系統(tǒng)在復(fù)雜銑削中的應(yīng)用

朱紹維，李衛(wèi)東，尚 江，龔清洪，牟文平

（航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，成都 610092）

0 引言

在金屬切削加工中，刀具隨著使用時(shí)間的延長逐漸磨損破損、甚至?xí)霈F(xiàn)異常斷裂。由于與工件直接接觸，刀具的過度磨損和破損將降低零件的加工精度，甚至導(dǎo)致零件質(zhì)量缺陷、機(jī)床損壞。因此，加工過程中，需要時(shí)時(shí)關(guān)注刀具的狀態(tài)，在其磨損到一定程度時(shí)及時(shí)更換。

目前，國內(nèi)航空結(jié)構(gòu)件等復(fù)雜零件切削加工行業(yè)中，刀具狀態(tài)的監(jiān)控主要由操作人員根據(jù)振動、聲音等信息憑經(jīng)驗(yàn)判斷，要求有足夠的人力投入，且準(zhǔn)確性受操作人員經(jīng)驗(yàn)的影響。因此，要實(shí)現(xiàn)自動化、無人化的生產(chǎn)，需要實(shí)現(xiàn)刀具狀態(tài)的自動監(jiān)控。

在汽車等行業(yè)一些加工批量大、加工過程相對簡單的生產(chǎn)過程中，得益于ARTIS等刀具監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了加工過程自動化、無人化。但在復(fù)雜零件的加工過程中，由于加工過程工藝波動較大，以及存在人工干預(yù)，而ARTIS等監(jiān)控系統(tǒng)僅根據(jù)主軸扭矩、振動等物理信號對刀具狀態(tài)進(jìn)行識別，易受工藝波動和人工干預(yù)的影響而產(chǎn)生誤報(bào)警。

目前，國內(nèi)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，但未在實(shí)際加工中開展應(yīng)用研究。成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司賀毅[4]提出了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；朱紹維等[5]結(jié)合實(shí)際加工過程分析了ARTIS在航空結(jié)構(gòu)件銑削加工中誤報(bào)警的本質(zhì)原因，提出減小誤報(bào)警的應(yīng)用措施。國外，也未見ARTIS在復(fù)雜零件銑削加工中的成熟應(yīng)用案例。

因此，基于文獻(xiàn)[5]提出的措施，本文進(jìn)一步提出兩種針對復(fù)雜零件銑削加工、減少誤報(bào)警的具體實(shí)施方案，并開發(fā)了相應(yīng)的監(jiān)控指令自動添加工具。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，兩種方法用于不同的加工環(huán)境，可有效避免誤報(bào)警。

1 監(jiān)控方案

文獻(xiàn)[5]中已經(jīng)介紹了ARTIS刀具監(jiān)控系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)、運(yùn)行過程及監(jiān)控模式，分析了飛機(jī)結(jié)構(gòu)件典型特征加工過程中的誤報(bào)警及對應(yīng)的監(jiān)控信號（主軸扭矩和振動）變化情況，提出了ARTIS在航空結(jié)構(gòu)件銑削加工中的5項(xiàng)應(yīng)用措施?；谄渲械姆侄伪O(jiān)控、手動設(shè)置放大倍率、基于最差工況的監(jiān)控，本文根據(jù)航空結(jié)構(gòu)件實(shí)際生產(chǎn)情況，提出以下兩種復(fù)雜零件銑削加工中的ARTIS應(yīng)用方案。

1.1 方案一

采用standard模式，將加工程序按一定的規(guī)則分段獨(dú)立進(jìn)行學(xué)習(xí)和監(jiān)控，每一段設(shè)定不同的監(jiān)控號。首次加工時(shí)根據(jù)基本設(shè)置中的參數(shù)全程學(xué)習(xí)，放大倍率通過輔助號預(yù)先設(shè)定，第二次加工即可進(jìn)行監(jiān)控。為避免人工干預(yù)導(dǎo)致的誤報(bào)警，每當(dāng)進(jìn)給倍率不為100%時(shí)自動停止對整個(gè)程序段的學(xué)習(xí)或監(jiān)控（執(zhí)行G0指令時(shí)不監(jiān)控）。附加號對應(yīng)的放大倍率根據(jù)典型工況設(shè)置。以某機(jī)床為例，監(jiān)控號格式如下。

采用該方案，將加工程序分段監(jiān)控，可以減少人工干預(yù)對監(jiān)控過程的影響。但是受人工干預(yù)的程序段會失去監(jiān)控，特別是學(xué)習(xí)過程中受到干預(yù)，后續(xù)加工中均不會監(jiān)控，因此適用于無人工干預(yù)或人工干預(yù)少的加工過程。

1.2 方案二

同樣將加工程序按一定的規(guī)則分段獨(dú)立學(xué)習(xí)和監(jiān)控，每一段設(shè)定不同的監(jiān)控號，但采用dx/dt模式且僅設(shè)置靜態(tài)極限。首次加工時(shí)根據(jù)基本設(shè)置中的參數(shù)全程學(xué)習(xí)，將每一程序段學(xué)習(xí)得到的最大信號值置于顯示界面的固定位置（例如30%）而確定放大倍率，第二次加工即可根據(jù)該放大倍率進(jìn)行監(jiān)控（執(zhí)行G0指令時(shí)不監(jiān)控），靜態(tài)極限稍高于上述固定位置（例如40%）。以某機(jī)床為例，監(jiān)控號格式如下。

采用該方案，學(xué)習(xí)和監(jiān)控過程均不受人工干預(yù)的影響，但是對每一段程序，僅能基于最差工況設(shè)置監(jiān)控極限，監(jiān)控靈敏度較方案一差，可以通過增加分段數(shù)進(jìn)行提升。

2 監(jiān)控指令自動添加工具

為實(shí)現(xiàn)上述方案的應(yīng)用，開發(fā)了監(jiān)控指令自動分段添加工具，如圖1所示。單擊“Add”、“Delete”和“Clear”可載入、刪除和清空待添加監(jiān)控指令的加工程序文件，輸入零件號、程序版次號和分段間隔時(shí)間（程序號從程序文件名稱中直接提?。┖?，單擊“Set Artis”，該工具估算加工時(shí)間并根據(jù)給定的分段間隔時(shí)間在最近的G00處添加監(jiān)控號和啟停指令，對所有載入的加工程序逐個(gè)處理。

圖1 監(jiān)控指令自動添加工具

對于方案一中的輔助號，每個(gè)程序文件處理時(shí)彈出對話框，由用戶輸入，如圖2所示。

添加的監(jiān)控指令如圖3所示。

圖2 輔助號添加

圖3 添加的監(jiān)控指令

該工具僅作為實(shí)例展示一種分段方法。實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)具體的加工過程采取不同的分段策略。例如，復(fù)雜零件銑削加工中，可以按CAM文件中的“操作”進(jìn)行分段。此外，監(jiān)控指令的添加還可以集成到后置處理工具中，在后置處理過程中自動完成指令添加。

3 應(yīng)用驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述兩種方案的應(yīng)用效果，在某五軸立臥轉(zhuǎn)換機(jī)床上以多項(xiàng)典型飛機(jī)結(jié)構(gòu)件為對象開展了應(yīng)用驗(yàn)證。ARTIS開啟兩個(gè)通道，分別監(jiān)控主軸電機(jī)扭矩和Z軸電機(jī)扭矩。

圖4～圖15所示為某項(xiàng)零件連續(xù)6件加工過程中采用方案一對某程序段的學(xué)習(xí)/監(jiān)控情況，磨損上限設(shè)為120。其中，圖4～圖9為主軸電機(jī)扭矩信號，圖10～圖15為Z軸電機(jī)扭矩信號。從圖中可以看出，時(shí)間進(jìn)程上，監(jiān)控時(shí)的信號與學(xué)習(xí)時(shí)的信號存在一定的錯(cuò)位，其原因主要有兩個(gè)：1）機(jī)床執(zhí)行相同程序的時(shí)間進(jìn)程不完全一致，2）數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔不完全一致。但通常情況下，該錯(cuò)位較小，對監(jiān)控的影響不大，配合合適的監(jiān)控極限，可以取得較好的監(jiān)控效果。

圖4 主軸電機(jī)扭矩學(xué)習(xí)（方案一，第一件）

圖5 主軸電機(jī)扭矩監(jiān)控（方案一，第二件）

圖6 主軸電機(jī)扭矩監(jiān)控（方案一，第三件）

圖7 主軸電機(jī)扭矩監(jiān)控（方案一，第四件）

圖8 主軸電機(jī)扭矩監(jiān)控（方案一，第五件）

圖9 主軸電機(jī)扭矩監(jiān)控（方案一，第六件）

圖10 Z軸電機(jī)扭矩學(xué)習(xí)（方案一，第一件）

圖11 Z軸電機(jī)扭矩監(jiān)控（方案一，第二件）

圖12 Z軸電機(jī)扭矩監(jiān)控（方案一，第三件）

圖13 Z軸電機(jī)扭矩監(jiān)控（方案一，第四件）

圖14 Z軸電機(jī)扭矩監(jiān)控（方案一，第五件）

圖15 Z軸電機(jī)扭矩監(jiān)控（方案一，第六件）

圖16、圖17為某項(xiàng)零件加工過程中采用方案二對某程序段的監(jiān)控情況（該模式下每一屏僅能顯示10s的信號），磨損極限設(shè)置為45%。其中，圖16為主軸電機(jī)扭矩信號，圖17為Z軸電機(jī)扭矩信號。整個(gè)監(jiān)控過程中，由于學(xué)習(xí)時(shí)最大值已經(jīng)被限制在30%，無誤報(bào)警產(chǎn)生，監(jiān)控極限還可以進(jìn)一步降低以提高“抓錯(cuò)率”。

圖16 主軸電機(jī)扭矩監(jiān)控（方案二）

圖17 Z軸電機(jī)扭矩監(jiān)控（方案二）

4 結(jié)論

根據(jù)ARTIS在復(fù)雜零件銑削加工中易受人工干預(yù)和工藝波動的影響而產(chǎn)生誤報(bào)警的問題，分別針對standard模式和dx/dt模式提出消除誤報(bào)警的應(yīng)用方案，使其最大程度發(fā)揮監(jiān)控作用。

對standard模式，通過分段并判斷進(jìn)給速度使得人工干預(yù)的程序段監(jiān)控失效，不會產(chǎn)生誤報(bào)警，其他程序段仍能正常進(jìn)行監(jiān)控。此外，通過附加號根據(jù)工況預(yù)設(shè)放大倍率，可以減少一次學(xué)習(xí)。

對dx/dt模式，改為全程學(xué)習(xí)，將最大信號值置于量程的固定值從而確定放大倍率，并設(shè)置高于該固定值的靜態(tài)上限，可以有效避免誤報(bào)警。通過分段監(jiān)控避免信號長期處于量程的較低位置，提高“抓錯(cuò)率”。

經(jīng)應(yīng)用驗(yàn)證，上述方案可以有效避免誤報(bào)警，但是要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的監(jiān)控，還需要設(shè)置合理的監(jiān)控極限，這需要針對具體的加工工藝從工程實(shí)踐中積累。

對于監(jiān)控指令的添加，本文中僅開發(fā)了臨時(shí)工具，還可以集成在后置處理軟件中，在后置處理過程中完成指令的添加，僅要求工藝人員在前置文件中給出零件圖號和程序版次號即可。還可以根據(jù)前置文件中的編程“操作”信息，按“操作”進(jìn)行分段，有助于提高監(jiān)控的準(zhǔn)確性。