氣密性檢測(cè)技術(shù)在機(jī)械加工中的應(yīng)用

關(guān)鍵詞：斷刀檢測(cè)；自動(dòng)化生產(chǎn)；氣密檢測(cè)

0引言

在機(jī)械制造行業(yè)中，產(chǎn)品大多是金屬制品。在加工過(guò)程中，由于切削力大且毛坯硬度不均勻，刀具折斷和崩刃的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。隨著自動(dòng)化程度的提高，在長(zhǎng)時(shí)間、不間斷的流水線生產(chǎn)中，這種現(xiàn)象愈發(fā)明顯。如果發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，很容易造成大批量的產(chǎn)品報(bào)廢，從而嚴(yán)重影響生產(chǎn)過(guò)程[1]。而如果采用100%人工檢查刀具是否存在問(wèn)題，會(huì)浪費(fèi)生產(chǎn)時(shí)間，也與自動(dòng)化線的宗旨相違背，定期抽檢則無(wú)法保證過(guò)程能力。鑒于上述多方面客觀因素，如果機(jī)床本身具備刀具自動(dòng)在線檢測(cè)功能，就能很好地解決這一問(wèn)題。在每把刀具加工工件前，先進(jìn)行刀具檢測(cè)，機(jī)床確認(rèn)刀具沒(méi)有任何問(wèn)題且仍在壽命周期內(nèi)后，再進(jìn)行切削。同時(shí)，通過(guò)監(jiān)控加工過(guò)程中某些特殊信息的方式，實(shí)時(shí)監(jiān)控刀具的狀態(tài)。一旦刀具出現(xiàn)異常，檢測(cè)系統(tǒng)便會(huì)立即觸發(fā)機(jī)床發(fā)出報(bào)警提示。通過(guò)在線自動(dòng)檢測(cè)刀具的工作狀態(tài)，保證機(jī)床生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品，并保障生產(chǎn)效率。

目前，我單位加工的產(chǎn)品中包含鍛件。相比于其他材質(zhì)的產(chǎn)品，鍛件經(jīng)過(guò)鐓粗、鍛壓和熱處理等多道工序，其內(nèi)部組織晶粒細(xì)化，結(jié)構(gòu)致密，硬度相對(duì)更高。因此，在刀具加工鍛件時(shí)，更易產(chǎn)生斷裂、崩刃等異常情況，在自動(dòng)化線生產(chǎn)中，一旦出現(xiàn)這種情況，就會(huì)導(dǎo)致批量性不合格品的產(chǎn)生，對(duì)后續(xù)的成本和質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。

1解決方案

1.1方案設(shè)計(jì)

方案一：刀具震動(dòng)檢測(cè)

在加工過(guò)程中，刀具需承受巨大的力和摩擦，因此刀具斷裂會(huì)嚴(yán)重影響加工效果和設(shè)備安全。為了避免此類(lèi)問(wèn)題，加工中心常采用刀具斷裂檢測(cè)方法。其中，振動(dòng)檢測(cè)法是通過(guò)監(jiān)測(cè)主軸加工過(guò)程中的振動(dòng)情況來(lái)判斷刀具是否斷裂。通常，刀具正常加工時(shí)振動(dòng)較小，而刀具斷裂時(shí)振動(dòng)幅度會(huì)顯著增大。因此，監(jiān)測(cè)主軸振動(dòng)情況可有效判斷目前加工狀態(tài)[2]。

方案二：機(jī)械開(kāi)關(guān)斷刀檢測(cè)

該方法通過(guò)在刀庫(kù)中安裝機(jī)械開(kāi)關(guān)來(lái)判斷刀具是否斷裂。刀具斷裂后，斷口會(huì)與機(jī)械開(kāi)關(guān)分離，導(dǎo)致機(jī)械開(kāi)關(guān)失去聯(lián)系，從而觸發(fā)報(bào)警信號(hào)[4]。該方法具有速度快、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，但在刀具逃逸或未能及時(shí)到達(dá)機(jī)械開(kāi)關(guān)的情況下，檢測(cè)效果可能受影響。

方案三：視覺(jué)斷刀檢測(cè)

視覺(jué)斷刀檢測(cè)利用攝像頭拍攝刀具，并通過(guò)圖像處理算法實(shí)時(shí)檢測(cè)刀具的形態(tài)和位置。該方法可對(duì)刀具形態(tài)進(jìn)行定量分析，并根據(jù)分析結(jié)果判斷刀具是否斷裂。與機(jī)械開(kāi)關(guān)檢測(cè)方法相比，視覺(jué)檢測(cè)方法可避免因刀具逃逸或未及時(shí)到達(dá)機(jī)械開(kāi)關(guān)而導(dǎo)致的誤判問(wèn)題[3]。

1.2方案選擇

綜合檢測(cè)方式、成本等因素，選擇方案二更符合實(shí)際情況。為解決檢測(cè)效果可能受影響的問(wèn)題，考慮增加氣密性檢測(cè)相結(jié)合的設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。

2機(jī)械開(kāi)關(guān)斷刀檢測(cè)設(shè)計(jì)

2.1機(jī)械工裝原理

設(shè)計(jì)了氣密檢測(cè)工裝（圖1），該工裝的機(jī)械部分由底座、測(cè)銷(xiāo)和內(nèi)置氣路組成?？刂撇糠钟蓚鞲衅骱涂删幊踢壿嬁刂破鳎≒LC）構(gòu)成。在檢測(cè)過(guò)程中，機(jī)床刀具與工裝測(cè)頭接觸。正常狀態(tài)下，測(cè)銷(xiāo)會(huì)被下壓從而堵塞氣路，確保氣體無(wú)泄漏。而如果刀具斷裂，測(cè)銷(xiāo)會(huì)被頂起，導(dǎo)致氣體泄漏。氣體壓力傳感器負(fù)責(zé)采集氣體壓力，將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并與設(shè)置的靈敏度值進(jìn)行比較。比較結(jié)果將反饋給可編程邏輯控制器（PLC），最終實(shí)現(xiàn)與機(jī)床的聯(lián)動(dòng)控制。如果檢測(cè)到斷刀，機(jī)床將停止運(yùn)動(dòng)并發(fā)出報(bào)警信號(hào)；反之，則機(jī)床將繼續(xù)正常運(yùn)行。

2.2靈敏度計(jì)算

靈敏度是衡量系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，能夠反映系統(tǒng)對(duì)輸入變化的響應(yīng)程度。它指示了系統(tǒng)的靈敏性及其對(duì)外界變化的敏感程度，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制和優(yōu)化的重要依據(jù)。靈敏度計(jì)算基于輸入變量和輸出變量之間的函數(shù)關(guān)系。具體來(lái)說(shuō)，靈敏度是指在給定的輸入變量變化范圍內(nèi)，輸出變量的變化量與輸入變量的變化量之間的比值[5]。

通過(guò)PLC進(jìn)行電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，從而發(fā)出氣密檢測(cè)識(shí)別信號(hào)。例如，當(dāng)氣密檢測(cè)通過(guò)時(shí)，PLC信號(hào)為“#9002=1”；當(dāng)氣密檢測(cè)不通過(guò)時(shí)，PLC信號(hào)為“#9002=0”。

2.3PLC設(shè)計(jì)

PLC設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.4控制邏輯

程序執(zhí)行斷刀檢測(cè)代碼M158，對(duì)應(yīng)PLC梯形圖（圖3）中的繼電器為R1819.6。在刀具狀態(tài)正常的情況下，刀具與測(cè)銷(xiāo)充分接觸，測(cè)銷(xiāo)被下壓，內(nèi)置氣路被堵塞。此時(shí)，氣體壓力傳感器（圖4）將壓力值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并將M158對(duì)應(yīng)的R1819.6繼電器復(fù)位，機(jī)床將繼續(xù)正常運(yùn)行。若刀具異常，則刀具與測(cè)銷(xiāo)接觸不充分，內(nèi)置氣路保持通暢。氣體壓力傳感器會(huì)發(fā)出電信號(hào)，使M158對(duì)應(yīng)的R1819.6繼電器保持得電狀態(tài)。通過(guò)延時(shí)計(jì)數(shù)器等待5s后，如果R1819.6仍然是得電狀態(tài)，則D0429.1繼電器得電（圖5）。最終，輸出斷刀報(bào)警信號(hào)EX1291。

3實(shí)驗(yàn)效果

3.1驗(yàn)證重復(fù)測(cè)量下氣密裝置是否檢測(cè)靈敏

方案設(shè)計(jì)：使用手輪將機(jī)床刀具手動(dòng)調(diào)整至同一高度，并觀察氣密檢測(cè)裝置的狀態(tài)直至其正常通過(guò)檢測(cè)。隨后，固定機(jī)床手輪的Z值并記錄，將刀具抬起后再次搖至該固定值，重復(fù)此過(guò)程30次，每次均觀察并記錄氣密裝置的狀態(tài)。

3.2驗(yàn)證加工過(guò)程中該控制系統(tǒng)穩(wěn)定性

方案設(shè)計(jì)：在正常運(yùn)行程序的情況下，使用正常刀具重復(fù)執(zhí)行斷刀檢測(cè)程序30次，輸出并記錄每次的結(jié)果；然后，在其他條件不變的情況下，更換為斷裂刀具，再次重復(fù)執(zhí)行斷刀檢測(cè)程序30次，同樣輸出并記錄每次的結(jié)果。

3.3結(jié)論

通過(guò)分析表1的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，該機(jī)械工裝及氣密檢測(cè)裝置具有較高的靈敏度，且重復(fù)性好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。同時(shí)，表2和表3數(shù)據(jù)表明，該控制系統(tǒng)具有靈敏準(zhǔn)確的特點(diǎn)。綜上所述，該系統(tǒng)方案可行，效果良好。

4結(jié)束語(yǔ)

斷刀氣密性檢測(cè)技術(shù)在機(jī)械加工領(lǐng)域的應(yīng)用，成功解決了自動(dòng)線上自動(dòng)確認(rèn)并檢查刀具狀態(tài)的難題。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同產(chǎn)品的自動(dòng)化檢測(cè)與加工，為“批量自動(dòng)化刀具生產(chǎn)加工”提供了一種解決問(wèn)題的思路。在應(yīng)用該成果后，操作者從原先需要目視識(shí)別刀具狀態(tài)變?yōu)樽詣?dòng)檢測(cè)，不但降低了人的勞動(dòng)強(qiáng)度，還有效解決了自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中刀具批量不合格品的問(wèn)題。自成果應(yīng)用以來(lái)，由于刀具斷裂導(dǎo)致的廢品發(fā)生率已經(jīng)降低至“0”。經(jīng)過(guò)實(shí)際生產(chǎn)中的批量加工驗(yàn)證，該成果完全可以作為自動(dòng)化識(shí)別刀具狀態(tài)的參考案例，并有望廣泛應(yīng)用于各類(lèi)機(jī)械行業(yè)的自動(dòng)化刀具加工中。