數(shù)控切削中刀具在線監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

谷春春

摘要：本文提出了一種數(shù)控加工過(guò)程中刀具在線監(jiān)控系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了用主軸電機(jī)電流作為刀具在線監(jiān)控系統(tǒng)信號(hào)源的原理及優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)的應(yīng)用可使數(shù)控加工中機(jī)床故障停機(jī)時(shí)間減少，工藝穩(wěn)定性、機(jī)床利用率、刀具壽命和生產(chǎn)管理追溯性等性能均有質(zhì)的提升。

關(guān)鍵詞：刀具在線監(jiān)控;數(shù)控加工;刀具壽命管理;主軸電流

0 ?引言

在切削過(guò)程中，刀具的磨損以及由于加工因素異常帶來(lái)的刀具破損等情況不可避免，因此需要通過(guò)系統(tǒng)設(shè)置刀具檢測(cè)功能來(lái)及時(shí)更換刀具，避免刀具意外受損，延長(zhǎng)刀具壽命周期，降低生產(chǎn)成本。開發(fā)具備上述功能的刀具在線監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)對(duì)零件的切削狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤，基于大量可追溯的加工過(guò)程記錄對(duì)刀具磨損程度及刀具壽命進(jìn)行監(jiān)控和不斷優(yōu)化，定時(shí)、定量更換刀具，以期實(shí)現(xiàn)刀具管理的使用成本最小化。

1 ?刀具在線監(jiān)控系統(tǒng)的原理

刀具監(jiān)控是指在產(chǎn)品切削加工過(guò)程中，通過(guò)檢測(cè)各類傳感器信號(hào)變化，將刀具的加工參數(shù)，連同加工材料的類型和主軸轉(zhuǎn)速一起輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器中。由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器計(jì)算負(fù)載，將得出的負(fù)載數(shù)據(jù)輸至檢測(cè)器，最后將輸入信號(hào)同檢測(cè)器輸出的結(jié)果進(jìn)行比較，若該負(fù)載大于刀具疲勞條件下的裂紋擴(kuò)展負(fù)載，則意味著刀具磨損到一定程度，或發(fā)生崩刃、破損、卷刃等工況，喪失其切削能力或無(wú)法保障加工質(zhì)量的情形，此時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)控制CNC報(bào)警停機(jī)，達(dá)到保證加工安全的目的。

刀具在線監(jiān)控的方法很多，一般可分為直接測(cè)量法和間接測(cè)量法。直接測(cè)量法包括接觸監(jiān)測(cè)法和光學(xué)監(jiān)測(cè)法，接觸監(jiān)測(cè)由于需要停機(jī)監(jiān)測(cè)、無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、增加加工節(jié)拍等弊端使用范圍不是很廣;而光學(xué)監(jiān)測(cè)雖直觀，但受空間和環(huán)境限制使用范圍同樣受限。間接測(cè)量法主要是利用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的傳感器讀取切削過(guò)程中刀具的各種信號(hào)，如振動(dòng)、切削力、功率、電流、聲波等信號(hào)而實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)控制的目的，其原理因監(jiān)控信號(hào)類型及讀取信號(hào)方法的不同而略有差異。

本文介紹的刀具在線監(jiān)控系統(tǒng)即電流式刀具在線監(jiān)控系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集處理單元的傳感器通過(guò)監(jiān)控電機(jī)電流和功率信號(hào)進(jìn)行在線采集，這些數(shù)據(jù)反映了加工的實(shí)時(shí)狀態(tài)，對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

2 ?刀具在線監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)施必要性及潛在效益分析

整個(gè)產(chǎn)品的制造過(guò)程是一個(gè)多因素耦合的“黑盒子”，每個(gè)因素的波動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)制造結(jié)果的不穩(wěn)定，制造過(guò)程是否優(yōu)化，對(duì)制造成本有著極大的影響。為增加產(chǎn)品加工工藝穩(wěn)定性，傳統(tǒng)工藝在加工過(guò)程刀具狀態(tài)監(jiān)控方面增加了相關(guān)防錯(cuò)改進(jìn)，如接觸式的斷刀保護(hù)裝置來(lái)檢測(cè)易斷刀具是否完整、刀具壽命宏程序來(lái)控制達(dá)到使用壽命的刀具強(qiáng)制換刀。但兩種技術(shù)均存在一定的局限性：①針對(duì)機(jī)床上安裝的斷刀保護(hù)裝置，機(jī)械接觸式會(huì)增加走刀路徑，額外增加節(jié)拍時(shí)間約為30s/把/次;同時(shí)為保證加工效率，在機(jī)床安裝相關(guān)探測(cè)裝置，只能對(duì)特定刀具進(jìn)行監(jiān)控。此外，只能停機(jī)檢測(cè)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)控以保證監(jiān)控的時(shí)效性。②針對(duì)內(nèi)嵌在加工程序中的刀具壽命宏程序，實(shí)現(xiàn)方式為計(jì)數(shù)器的形式，其中額定刀具壽命仍為理論經(jīng)驗(yàn)值，準(zhǔn)確性與實(shí)際加工相比仍有一定差異。通過(guò)引入刀具在線監(jiān)控系統(tǒng)，可有效優(yōu)化上述工藝的不足，并可最大限度地幫助減少機(jī)床停機(jī)時(shí)間和降低廢品率，監(jiān)測(cè)和管理批量生產(chǎn)過(guò)程中的刀具磨損。

此外，隨著自動(dòng)化生產(chǎn)線的實(shí)施與推廣，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的異常識(shí)別、加工過(guò)程的精確控制提出了更為嚴(yán)苛的要求。趨于無(wú)人化操作的加工過(guò)程，要求擺脫傳統(tǒng)的人工確認(rèn)機(jī)床狀態(tài)、刀具磨損情況等觀念和運(yùn)行模式，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別加工異常并報(bào)警，減少因撞刀等異常過(guò)程帶來(lái)的批量報(bào)廢或更大損失，保證過(guò)程穩(wěn)定;同時(shí)系統(tǒng)積累并分析批量生產(chǎn)時(shí)的強(qiáng)大數(shù)據(jù)庫(kù)，獲取更為精確的刀具加工壽命，為有效降低刀具成本，進(jìn)一步降低生產(chǎn)管理成本，提高技術(shù)能力和質(zhì)量控制有著重要意義。

刀具在線監(jiān)控系統(tǒng)可保護(hù)機(jī)加工過(guò)程的穩(wěn)定性，避免因刀具磨損、斷裂等造成的撞機(jī);優(yōu)化刀具壽命;即刻停機(jī)，避免因刀具磨損、斷裂等造成的撞機(jī)，避免二次損傷或更大損失;降低因人為原因造成的刀具成本的增加;采集詳細(xì)數(shù)據(jù)用于過(guò)程參數(shù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程可追溯化管理。

3 ?刀具在線監(jiān)控系統(tǒng)在CNC加工中的應(yīng)用

刀具在線監(jiān)控系統(tǒng)在數(shù)控立式加工中心上應(yīng)用，研究T1玉米銑刀和T2 D70鏜刀的應(yīng)用數(shù)據(jù)。

3.1 刀具破損監(jiān)控-漏裝刀、斷刀情況

圖1為T1玉米銑刀切削加工時(shí)的刀具監(jiān)控系統(tǒng)界面。界面中綠色曲線為刀具切削加工標(biāo)準(zhǔn)走勢(shì)曲線，橫坐標(biāo)代表加工時(shí)間，縱坐標(biāo)代表傳感器監(jiān)測(cè)的機(jī)床主軸電流值，獲取方法為選取新刀片對(duì)零件進(jìn)行3-5次加工后自動(dòng)生成平均值作為刀具切削該零件的標(biāo)準(zhǔn)曲線，然后系統(tǒng)會(huì)在刀具監(jiān)測(cè)范圍自動(dòng)核算刀具加工負(fù)載值，生成磨損極限及破損極限（極限值可根據(jù)實(shí)際加工情況進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化并受控固化）;藍(lán)色曲線代表每次切削刀具傳感器監(jiān)測(cè)到刀具的實(shí)際負(fù)載值，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)加工負(fù)載走勢(shì)圖進(jìn)行對(duì)比，可判斷工具的異常狀態(tài)（破損或磨損），下同。左圖中可看到實(shí)際加工曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線重合較好，尚未達(dá)到磨損極限，刀具狀態(tài)正常。右圖為模擬斷刀、漏裝刀等情況，在不安裝工件情況下對(duì)空程加工狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)際加工曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線偏離較大，同時(shí)蜂鳴器報(bào)警提示加工狀態(tài)異常。刀具在線監(jiān)控系統(tǒng)的使用可極大增強(qiáng)切削加工工藝的穩(wěn)定性，避免撞機(jī)時(shí)間帶來(lái)的損失和安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 刀具磨損情況監(jiān)控

加工曲線中的一張，匯總該刀具所有加工情況可以看出刀具加工情況曲線隨著加工件數(shù)的增加的變化規(guī)律。如圖2。

該刀具在使用監(jiān)控系統(tǒng)前，其壽命是靠理論經(jīng)驗(yàn)值定義，換刀頻次為1次/班，加工件數(shù)約160件。匯總?cè)斓毒弑O(jiān)控結(jié)果可知，新?lián)Q刀片初始加工時(shí)，實(shí)際加工曲線（藍(lán)色）與標(biāo)準(zhǔn)曲線（綠色）吻合較好。隨著加工件數(shù)的增加，實(shí)際加工曲線逐漸偏離標(biāo)準(zhǔn)曲線并向磨損極限靠近，當(dāng)加工至160件左右，通過(guò)刀具和零件表面質(zhì)量判定該刀具仍可繼續(xù)加工。當(dāng)加工至191件時(shí)，零件達(dá)到磨損極限，系統(tǒng)報(bào)警并控制機(jī)床自動(dòng)停機(jī)，從刀具及零件質(zhì)量方面判定該刀具確實(shí)達(dá)到使用壽命。對(duì)比以往報(bào)警記錄，每把刀加工零件個(gè)數(shù)穩(wěn)定在190±10件，且零件質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定。數(shù)據(jù)顯示，該刀具在該工序刀具壽命提升18.8%，表明傳統(tǒng)加工模式中刀具壽命仍存在較大提升潛力，通過(guò)刀具在線監(jiān)控系統(tǒng)的使用可達(dá)到一定降低加工成本，并減輕操作人員勞動(dòng)力的效果。

4 ?結(jié)論

結(jié)合刀具在線監(jiān)控系統(tǒng)在某產(chǎn)品切削加工中的應(yīng)用實(shí)例，通過(guò)對(duì)刀具使用狀態(tài)的適時(shí)監(jiān)控，可以對(duì)加工過(guò)程持續(xù)優(yōu)化，增加刀具的耐用度，減少加工周期和加工成本。同時(shí)在監(jiān)控過(guò)程中出現(xiàn)機(jī)床負(fù)載報(bào)警時(shí)可以緊急停機(jī)，最大限度的保護(hù)機(jī)床工件和刀具不受損傷，減少人機(jī)受損的風(fēng)險(xiǎn)，生成管控和質(zhì)量管控都有所提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]李世洪，戴愛麗.淺談數(shù)控高速切削加工技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（12）：235-236.

[2]陳英姝.高速數(shù)控車削加工復(fù)雜工況集成監(jiān)控方法及系統(tǒng)[D].河北工業(yè)大學(xué)，2014.

[3]王維.異形螺桿加工刀具狀態(tài)監(jiān)控及在線補(bǔ)償技術(shù)研究[D].東北大學(xué)，2006.