數(shù)控機(jī)床智能預(yù)警監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用

陳斯?jié)? 鄔遠(yuǎn)坤

摘要：數(shù)控機(jī)床智能預(yù)警監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于加工中心系統(tǒng)中，可在高速運(yùn)行過(guò)程中自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)防機(jī)床加工數(shù)據(jù)及刀具與工件發(fā)生碰撞的危險(xiǎn)信號(hào)，并進(jìn)行報(bào)警及自動(dòng)制動(dòng)。在該系統(tǒng)中，由軟件給出預(yù)警信息及處理方法至機(jī)床控制端，將該模塊應(yīng)用于高速運(yùn)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床中，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證其可行性和有效性。實(shí)驗(yàn)表明：在高速運(yùn)行過(guò)程中，智能預(yù)警監(jiān)測(cè)技術(shù)可準(zhǔn)確識(shí)別并監(jiān)測(cè)機(jī)床主軸與工件發(fā)生碰撞、刀具斷裂的危險(xiǎn)信號(hào)，同時(shí)發(fā)出報(bào)警、自動(dòng)制動(dòng)，以確保機(jī)床的安全運(yùn)行。該技術(shù)可為高速運(yùn)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床智能識(shí)別、預(yù)警、碰撞緩沖、刀具磨損/斷裂提升機(jī)床主軸刀具壽命提供實(shí)踐基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：機(jī)床主軸；傳感器；智能預(yù)警

中圖分類(lèi)號(hào)：TG659文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1009-9492 （ 2022 ） S1-0017-04

Application of Intelligent Early Warning and Monitoring Technology for CNC Machine Tools

Chen Sijie，Wu Yuankun

（Guangdong Machinery Research Institute Co.，Ltd.，Guangzhou 510799，China）

Abstract： The intelligent early warning and monitoring technology of CNC machine tools is applied to the machining center system， which can automatically monitor the dangerous signals preventing the machining data of the machine tool and the collision between the tool and the workpiece during high-speed operation， and give an alarm and automatic braking. In this system， the software gave the warning information and processing method to the machine tool control end. The module was applied to the high-speed CNC machine tools， and its feasibility and effectiveness were verified through experiments. The experiment shows that in the process of high-speed operation， the intelligent early warning monitoring technology can accurately identify and monitor the danger signals of the collision between the machine tool spindle and the workpiece and the tool fracture， and at the same time send out the alarm and automatic brake to ensure the safe operation of the machine tool. This technology can provide a practical basis for intelligent identification， early warning， collision buffering， tool wear/fracture of high-speed CNC machine tools to improve the tool life of the machine tool spindle.

Key words： machine spindle； sensor； intelligent early-warning

0引言

隨著數(shù)控機(jī)床作為智能制造領(lǐng)域最關(guān)鍵的裝備之一，其智能化程度越來(lái)越高，這也給數(shù)控機(jī)床的安全運(yùn)行提出了更高的要求。傳統(tǒng)數(shù)控裝置存在諸多弊端，無(wú)法滿足現(xiàn)代數(shù)控裝備對(duì)安全可靠性、智能性和實(shí)時(shí)性控制等方面的要求。本文分析數(shù)控機(jī)床智能預(yù)警監(jiān)測(cè)技術(shù)，智能預(yù)警系統(tǒng)結(jié)合外部傳感器裝置采用基于震動(dòng)頻率和速度的方法對(duì)機(jī)床主軸，刀具使用壽命具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。智能預(yù)警監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)的應(yīng)用可極大的預(yù)防和提升機(jī)床主軸的保護(hù)及最大化增加刀具使用壽命。

1常見(jiàn)數(shù)控機(jī)床碰撞及刀具斷裂事故

數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)故障時(shí)，大部分可能是技術(shù)人員操作不當(dāng)或編程錯(cuò)誤等原因造成碰撞事故，不僅會(huì)影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行，還會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)重的還會(huì)影響機(jī)床使用壽命。當(dāng)發(fā)生機(jī)床主軸、刀具與工件發(fā)生碰撞時(shí)，有以下幾種情況：

（1）在初始加工時(shí)，有程序編寫(xiě)錯(cuò)誤、刀具測(cè)量錯(cuò)誤、程序傳輸錯(cuò)誤、選刀錯(cuò)誤、毛坯超出預(yù)期，毛坯過(guò)大與程序設(shè)定之毛坯不相符、工件材料硬度過(guò)高、裝夾因素，夾具干涉等加工前期準(zhǔn)備及編程中未考慮到，導(dǎo)致一啟動(dòng)機(jī)床就產(chǎn)生碰撞；

（2）在運(yùn)行中過(guò)程中，出現(xiàn)人為的操作失誤、仿真結(jié)果與實(shí)際加工情況不符、機(jī)床系統(tǒng)或硬件加工時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題、機(jī)床電路以及氣路問(wèn)題、會(huì)導(dǎo)致程序執(zhí)行時(shí)產(chǎn)生碰撞。

（3）程序結(jié)束階段，各數(shù)控軸的退刀動(dòng)作順序錯(cuò)誤，或裝夾工藝不科學(xué)，那么也有可能發(fā)生碰撞，造成材料損失甚至延誤工期。

（4）在加工過(guò)程中出現(xiàn)機(jī)床系統(tǒng)故障、程序丟失，停電等問(wèn)題導(dǎo)致的事故。

2現(xiàn)階段軟硬件解決數(shù)控機(jī)床碰撞事故方式

（1）人為因素。機(jī)床運(yùn)行中的人是保證機(jī)床安全運(yùn)行的最重要力量，因此，要盡可能地減少人為因素導(dǎo)致的事故。在數(shù)控加工中心系統(tǒng)中，當(dāng)出現(xiàn)程序錯(cuò)誤報(bào)警或被撞報(bào)警后，首先要考慮是由于設(shè)備本身原因還是人為因素導(dǎo)致發(fā)生碰撞。如果是前者原因造成的，那么應(yīng)將報(bào)警信息通過(guò)系統(tǒng)分析，逐一對(duì)相應(yīng)的系統(tǒng)模塊參數(shù)進(jìn)行排查；如果是后者導(dǎo)致的，則在采取制動(dòng)措施后將程序刀路與刀具參數(shù)進(jìn)行查看修改。

（2）控制系統(tǒng)。在高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行判斷，在發(fā)現(xiàn)有可能與其它機(jī)床或工件發(fā)生碰撞威脅時(shí)應(yīng)立即進(jìn)行制動(dòng)控制。

（3）碰撞后。當(dāng)出現(xiàn)危險(xiǎn)信號(hào)或故障后不能正常運(yùn)行時(shí)，應(yīng)及時(shí)設(shè)置防撞裝置，防止意外發(fā)生。

（4）采用自適應(yīng)技術(shù)來(lái)調(diào)整系統(tǒng)速度和主軸轉(zhuǎn)速。

3智能預(yù)警系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用情況

數(shù)控機(jī)床智能預(yù)警監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于加工中心系統(tǒng)中，可在高速運(yùn)行過(guò)程中自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)防機(jī)床加工數(shù)據(jù)及刀具與工件發(fā)生碰撞的危險(xiǎn)信號(hào)，并進(jìn)行報(bào)警及自動(dòng)制動(dòng)。智能預(yù)警系統(tǒng)結(jié)合外部傳感器裝置采用基于震動(dòng)頻率和速度的方法對(duì)機(jī)床主軸，刀具使用壽命具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3.1軟硬件及系統(tǒng)處理方式

傳感部件包括有功率采集和振動(dòng)采集。有功率采集：電流互感器、智能制造控制器IMC；振動(dòng)采集：三向振動(dòng)傳感器、智能制造控制器VM01。圖1所示為振動(dòng)傳感器安裝位置。

為了更好地采集加工過(guò)程中的信號(hào)和傳遞信號(hào)，需要具備抵抗電磁干擾和噪音干擾的能力。安裝于機(jī)床主軸的驅(qū)動(dòng)器上，并通過(guò)感應(yīng)式安裝，不改動(dòng)和破壞機(jī)床原有電氣電路；運(yùn)行機(jī)制則是在監(jiān)控模型可下發(fā)到底層硬件中，實(shí)現(xiàn)脫離工控機(jī)/電腦運(yùn)行，當(dāng)觸發(fā)監(jiān)控報(bào)警時(shí)會(huì)輸出信號(hào)并自動(dòng)存儲(chǔ)報(bào)警日志；更好的顯示及控制則需增加一工控機(jī)顯示面板，采用磁吸式安裝。圖2所示為振動(dòng)采集板卡安裝位置。

（1）可對(duì)加工過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。一是以高速及較低的加速度運(yùn)動(dòng)作為檢測(cè)信號(hào)，速度值可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定，通過(guò)軟件算法來(lái)對(duì)加速度值進(jìn)行識(shí)別。二是以機(jī)床主軸的震動(dòng)頻率，來(lái)判斷刀具的極限的峰值及特性。

（2）報(bào)警方式。現(xiàn)在有兩種方式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)生碰撞后的報(bào)警。一是設(shè)置好報(bào)警信號(hào)或報(bào)警閾值后，系統(tǒng)將按設(shè)定的參數(shù)發(fā)送報(bào)警信息進(jìn)行處理，同時(shí)發(fā)出警報(bào)。二是設(shè)置一組報(bào)警閾值（包括時(shí)間、距離和速度等），當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到碰撞的危險(xiǎn)信號(hào)時(shí)會(huì)立即識(shí)別并發(fā)出預(yù)警信息，然后進(jìn)行處理并自動(dòng)采取制動(dòng)措施，使機(jī)床處于安全運(yùn)行狀態(tài)。

（3）故障原因分析。一般發(fā)生碰撞后都存在一些特殊情況需要對(duì)其原因進(jìn)行分析。

（4）預(yù)防措施。防止碰撞發(fā)生應(yīng)根據(jù)具體條件及特點(diǎn)合理設(shè)置防撞等級(jí)和速度值，保證在一定安全距離內(nèi)無(wú)人操作（如緊急停車(chē)、緊急停止）、安全制動(dòng)、及時(shí)清除障礙等。如果在高速運(yùn)行狀態(tài)下遇到危險(xiǎn)信號(hào)而又不能及時(shí)采取措施，將可能發(fā)生嚴(yán)重的后果。因此，在高速加工中心系統(tǒng)中設(shè)置碰撞峰值是非常必要的。

（5）智能加工系統(tǒng)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析。

3.2碰撞緩沖模塊

當(dāng)主軸/刀柄/刀具和工件/夾具發(fā)生突然的碰撞時(shí)，碰撞緩沖系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)感知碰撞信號(hào)，快速地發(fā)出報(bào)警信號(hào)給機(jī)床做急停，從而避免主軸因意外碰撞而損傷/損壞。

當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)，CB系統(tǒng)能在3 ms內(nèi)快速響應(yīng)（圖3），迅速輸出信號(hào)給到機(jī)床停機(jī)。

撞機(jī)發(fā)生后，CB系統(tǒng)最大可能的保護(hù)主軸不受傷害。圖4所示為主軸精度測(cè)量結(jié)果。

3.3刀具磨損/斷刀監(jiān)測(cè)案例

某客戶主要產(chǎn)品為連桿、搖臂、球殼拉桿、懸掛、十寧軸、汽車(chē)門(mén)較鏈、轉(zhuǎn)向節(jié)、半軸突緣、萬(wàn)向節(jié)叉等。此類(lèi)型產(chǎn)品為批量零部件，在加工過(guò)程中，當(dāng)?shù)毒呤褂靡欢ù螖?shù)后，出現(xiàn)磨損情況異常頻繁。需要技術(shù)人員時(shí)刻查看刀具磨損情況，否則將會(huì)出現(xiàn)刀具斷裂情況，導(dǎo)致產(chǎn)品缺陷及報(bào)廢。安裝使用吉蘭丁的：刀具磨損和斷刀監(jiān)測(cè)模塊。當(dāng)出現(xiàn)異常和磨損的時(shí)候及夠時(shí)監(jiān)測(cè)到，避免繼續(xù)加工產(chǎn)生廢品，產(chǎn)品合格率及人工成本得到明顯改善。設(shè)備為WINF500加工中心。刀具類(lèi)型為鉆頭、絲錐。

3.4刀具磨損監(jiān)控（IGT-TCM）

在增加相應(yīng)的傳感部件后，能夠?qū)崟r(shí)記錄刀具磨損過(guò)程中的信號(hào)變化，預(yù)防批量不良，降低產(chǎn)品缺陷風(fēng)險(xiǎn)通過(guò)設(shè)置刀具的磨損極限，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)刀具的磨損狀態(tài)，當(dāng)?shù)毒叩哪p到達(dá)極限時(shí)，及時(shí)給出換刀信號(hào)，避免因?yàn)榈毒咛崆笆Ф鴮?dǎo)致的零件批量性缺陷。并據(jù)此確定最優(yōu)化的換刀時(shí)間，使刀具壽命最大化，從而減少產(chǎn)品不良率。

（1）數(shù)控機(jī)床智能預(yù)警防撞系統(tǒng)能夠在高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下自動(dòng)識(shí)別并檢測(cè)到與其它操作設(shè)備或操作人員與其它機(jī)床或加工工件發(fā)生碰撞的危險(xiǎn)信號(hào)，并進(jìn)行報(bào)警及自動(dòng)制動(dòng)，以確保安全運(yùn)行。智能預(yù)警防撞系統(tǒng)不僅能及時(shí)檢測(cè)到碰撞危險(xiǎn)信號(hào)，還能根據(jù)不同情況進(jìn)行報(bào)警并自動(dòng)制動(dòng)，從而避免發(fā)生重大事故。智能預(yù)警防撞系統(tǒng)是一種具有自主學(xué)習(xí)能力的智能化技術(shù)。其核心技術(shù)是智能感知技術(shù)和自動(dòng)報(bào)警技術(shù)。

（2）刀具斷刀監(jiān)控（IGT-IPQC）。實(shí)時(shí)跟蹤加工過(guò)程，當(dāng)加工中刀具突然折斷，軟件通過(guò)過(guò)程信號(hào)的異常識(shí)別，給出報(bào)警信號(hào)并迅速觸發(fā)機(jī)床執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

（3）加工數(shù)字化展示。絲錐在使用過(guò)程中同樣受毛壞影響，實(shí)際最高壽命1 049件，最低400件，開(kāi)啟功能后既可使刀具壽命最大化，又可提前報(bào)警，防止因磨損刀具繼續(xù)加工而影響品質(zhì)原刀具設(shè)定安全壽命為600件，平均壽命為702件，比未使用前提升17%。

鉆頭使用壽命受工件軟硬影響較大，實(shí)際最高壽命906件，最低420件，開(kāi)啟功能后既可使刀具壽命最大化，又可提前報(bào)警，防止因磨損刀具繼續(xù)加工而影響品質(zhì)原刀具設(shè)定安全壽命600件，平均壽命為633件，比未使用前提升約5.5%。

圖5所示為加工曲線。黑色為正常加工曲線；綠色為異常加工曲線，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)軟件會(huì)自動(dòng)識(shí)別，并給出報(bào)警信號(hào)，控制機(jī)床執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。崩刃現(xiàn)象為綠色曲線數(shù)據(jù)突然升高，超出紅色邊界后報(bào)瞥。制造良率提升，機(jī)床空運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間消除，綜合成本降低29%，最終實(shí)現(xiàn)刀具壽命均提升至180%。

4結(jié)束語(yǔ)

在工業(yè)制造過(guò)程中，有很多因素都會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)安全事故。當(dāng)出現(xiàn)安全事件時(shí)會(huì)影響到正常的生產(chǎn)，造成產(chǎn)品質(zhì)量下降。數(shù)控機(jī)床的智能預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警，當(dāng)有突發(fā)事件發(fā)生時(shí)，及時(shí)發(fā)出警告信息，避免事故的發(fā)生，為保障企業(yè)的正常生產(chǎn)秩序提供了重要保障。刀具磨損監(jiān)控模塊還能夠用于刀具性能評(píng)估提供決策依據(jù)通過(guò)刀具磨損監(jiān)控系統(tǒng)采集到的實(shí)時(shí)加工數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，測(cè)試刀具的切削性能和磨損特性。智能預(yù)警防監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能對(duì)機(jī)床異常情況進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別并發(fā)出報(bào)警信息，為數(shù)控加工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)提供預(yù)警提示功能。

智能預(yù)警監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)異常狀態(tài)或危險(xiǎn)信息的識(shí)別、報(bào)警、定位以及對(duì)事故狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估和管理。目前該方案技術(shù)已在我國(guó)機(jī)床行業(yè)逐步應(yīng)用應(yīng)用。

本文主要是基于智能預(yù)警監(jiān)測(cè)技術(shù)的部分功能在實(shí)際應(yīng)用中取得的成果進(jìn)行總結(jié)和探討。我們相信在國(guó)家相關(guān)政策的支持下，一定會(huì)有更多關(guān)于數(shù)控機(jī)床智能預(yù)警防碰撞技術(shù)方面的新方案出現(xiàn)，并將其更好地推廣應(yīng)用。

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第一作者簡(jiǎn)介：陳斯?jié)崳?991-），女，廣東陸豐人，大學(xué)本科，研究領(lǐng)域?yàn)閿?shù)控多軸裝備、3D打印設(shè)備、自動(dòng)化等。

（編輯：刁少華）