賀 毅

(中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司數(shù)控加工廠，四川 成都610092)

近年來(lái)隨著先進(jìn)制造技術(shù)在國(guó)內(nèi)的不斷推進(jìn)，制造過(guò)程中的加工效率、加工質(zhì)量的要求也隨之提高。根據(jù)精益制造、六西格馬等的質(zhì)量體系的要求，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的過(guò)程控制提出了更高的要求。由于工件加工的過(guò)程控制取決于機(jī)床的控制過(guò)程，因此眾多機(jī)床廠都在進(jìn)行機(jī)床狀態(tài)監(jiān)控這一領(lǐng)域的研究。對(duì)用戶而言目前分兩種監(jiān)控，一種是對(duì)機(jī)床的各種信號(hào)和狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，但這套系統(tǒng)僅僅記錄機(jī)床的狀態(tài)而不會(huì)改變機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)，如數(shù)控系統(tǒng)(如西門子)自帶的報(bào)警日志，或機(jī)床廠自己開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)，或用戶自行開發(fā)的第三方軟件(如DNC 系統(tǒng))。另一種則不僅對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控記錄，還可以“學(xué)習(xí)”、記錄系統(tǒng)加工的狀態(tài)，甚至可以根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)對(duì)機(jī)床進(jìn)行一定的操作，這一類如ARTIS系統(tǒng)、OMA 系統(tǒng)等，這些監(jiān)控都是未來(lái)數(shù)控機(jī)床智能化的一部分。目前國(guó)內(nèi)的研究仍然多局限于第一種監(jiān)控方案，625 所、成飛、西南交大等都有類似的研究;對(duì)于第二類系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)進(jìn)行研究的較少，這主要是由于使用國(guó)外的數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)需要付出高昂的代價(jià)，而且對(duì)相關(guān)人員的技術(shù)水平要求較高，研發(fā)人員不僅需要了解數(shù)控系統(tǒng)軟件、數(shù)控機(jī)床硬件，還需對(duì)工件加工相關(guān)的工藝方案，工藝參數(shù)等都需要有很深的理解。

1 ARTIS 系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)介

ARTIS 系統(tǒng)是德國(guó)ARTIS 公司根據(jù)加工中對(duì)系統(tǒng)加工過(guò)程的監(jiān)控要求開發(fā)的一套監(jiān)控系統(tǒng)。它最成功的應(yīng)用領(lǐng)域是在汽車制造業(yè)，目前逐漸進(jìn)入航空制造領(lǐng)域，但該公司也在不斷根據(jù)航空制造的要求對(duì)ARTIS 系統(tǒng)進(jìn)行不停的改進(jìn)和升級(jí)。

ARTIS 系統(tǒng)根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)中的總線信號(hào)或傳感器的信號(hào)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)和控制。目前它主要支持西門子、發(fā)那科、力士樂(lè)三個(gè)數(shù)控系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)對(duì)西門子系統(tǒng)支持最強(qiáng)，故本文以ARTIS 在西門子系統(tǒng)中應(yīng)用為例。ARTIS 系統(tǒng)可處理多種信號(hào):DTA 數(shù)字扭矩適配器，主要采集數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)的信號(hào)，MU4 可采集功率的監(jiān)測(cè)傳感器系統(tǒng)，KU4 可采集結(jié)構(gòu)傳播噪聲的監(jiān)測(cè)傳感器系統(tǒng)，CFM -4 可采集作用力的監(jiān)測(cè)傳感器系統(tǒng)，VG-4 用于振蕩監(jiān)測(cè)傳感器系統(tǒng)等。以上檢測(cè)信號(hào)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇，在ARTIS 系統(tǒng)中最重要的硬件是ARTIS 的CTM 卡，所有傳感器信號(hào)都要傳入CTM 卡中進(jìn)行處理后再反饋給機(jī)床，CTM 卡有內(nèi)置和外置兩種類型。圖1 是一種典型的ARTIS系統(tǒng)，系統(tǒng)使用外接加速傳感器。

ARTIS 系統(tǒng)硬件上必須至少有一個(gè)CTM 卡，其他硬件可以根據(jù)情況選用。一個(gè)CTM 卡可以檢測(cè)8 個(gè)軸，如果檢測(cè)的軸超過(guò)8 個(gè)則可以連接另一張CTM 從卡進(jìn)行擴(kuò)展。ATRIS 系統(tǒng)有一個(gè)接口軟件CTMVISU，通過(guò)該軟件可以對(duì)ARTIS 系統(tǒng)進(jìn)行各種設(shè)置，既包括對(duì)與系統(tǒng)的各種連接設(shè)置，也包括對(duì)工件加工進(jìn)行監(jiān)控的設(shè)置。ATRIS 系統(tǒng)使用系統(tǒng)中的PLC 信號(hào)對(duì)機(jī)床進(jìn)行控制，可以產(chǎn)生各種提示或報(bào)警，通過(guò)系統(tǒng)總線可以自動(dòng)控制機(jī)床加工參數(shù)，記錄加工中各種狀態(tài)等。機(jī)床廠一般會(huì)在機(jī)床交付前將ARTIS 各種設(shè)置調(diào)整完畢，但用戶也可根據(jù)需要進(jìn)行一些修改。

2 CTMVISU 界面及參數(shù)簡(jiǎn)介

ATRIS 系統(tǒng)包括多種監(jiān)控方法供用戶使用，其中標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)控方法為ATRIS 系統(tǒng)自帶，不需要另外購(gòu)買，其他的監(jiān)控方法如:SAS、dx/dt等為選件，需要另外購(gòu)買，軟件中有許多功能也是選件，而且有些功能必須有相應(yīng)的硬件支持。操作ATRIS 系統(tǒng)既可以使用機(jī)床廠家定義的快捷按鍵，也可以使用機(jī)床廠家編輯的M 指令，甚至用戶可以自行修改PLC 以通過(guò)某種條件控制ATRIS 系統(tǒng)。

ATRIS 系統(tǒng)監(jiān)控內(nèi)容最主要有三種，分別是過(guò)載監(jiān)控、斷裂監(jiān)控和缺失監(jiān)控。實(shí)際上系統(tǒng)經(jīng)常需要幾種監(jiān)控信號(hào)綜合判斷機(jī)床加工的狀態(tài)。在設(shè)置監(jiān)控參數(shù)時(shí)要注意使用各種參數(shù)排除一些信號(hào)的干擾，如使用基準(zhǔn)線(baseline)可以濾去空轉(zhuǎn)對(duì)監(jiān)控的影響，消除監(jiān)測(cè)初期的干擾峰值可用Ts 參數(shù)，消除監(jiān)測(cè)末期的干擾峰值可用持續(xù)時(shí)間(duration)參數(shù)等。

圖2 界面(加工過(guò)程監(jiān)控界面，以dx/dt 監(jiān)控方法為例)中兩個(gè)窗口分別為CFM4 功率監(jiān)控信號(hào)窗口、VG4 振動(dòng)監(jiān)控信號(hào)窗口，各信號(hào)曲線的含義如表1所示。

表1 監(jiān)控信號(hào)含義

上面各監(jiān)控信號(hào)的相關(guān)參數(shù)設(shè)置分別如圖3～圖5 所示，主要包括參數(shù)設(shè)置1、參數(shù)設(shè)置2、參數(shù)設(shè)置3。

2.1 參數(shù)設(shè)置1

如圖3 所示。此窗口主要是ARTIS 加工過(guò)程監(jiān)控的基本設(shè)置，主要包括學(xué)習(xí)設(shè)置、學(xué)習(xí)模式、報(bào)警輸出設(shè)置等。

2.2 參數(shù)設(shè)置2

如圖4 所示。參數(shù)設(shè)置2 窗口主要包括刀具破損、加工過(guò)載、刀具磨損、斷刀監(jiān)控相關(guān)參數(shù)極限值的設(shè)置，以及學(xué)習(xí)參數(shù)和傳感器放大倍率等的相關(guān)設(shè)置。圖4 中一些數(shù)據(jù)是現(xiàn)場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)值。

2.3 參數(shù)設(shè)置3

如圖5 所示。參數(shù)設(shè)置3 窗口主要包括各監(jiān)控信號(hào)的延時(shí)設(shè)置，將加工過(guò)程中的非正常報(bào)警信號(hào)過(guò)濾掉。

3 學(xué)習(xí)功能

ATRIS 系統(tǒng)不僅可以完全自定義各種參數(shù)值，也可以使用學(xué)習(xí)功能，系統(tǒng)可以通過(guò)學(xué)習(xí)功能自動(dòng)記錄正常加工的狀態(tài)或者調(diào)整監(jiān)控參數(shù)。學(xué)習(xí)最主要使用兩種，一種是標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)控，ARTIS 人員稱為是狀態(tài)監(jiān)控，另一種是dx/dt 監(jiān)控，被稱為過(guò)程監(jiān)控。雖然兩種監(jiān)控均可監(jiān)控機(jī)床，但ARTIS 人員建議航空用戶可以在加工批量工件時(shí)使用狀態(tài)監(jiān)控，狀態(tài)監(jiān)控后可形成歷史記錄，當(dāng)以后再次加工該工件時(shí)可以將該歷史記錄和最新的加工狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，如果兩者差異很大，可以將機(jī)床停止加工，再根據(jù)兩者差異查找原因。過(guò)程監(jiān)控可以用于實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)床當(dāng)前加工狀態(tài)，它的監(jiān)控依據(jù)主要來(lái)源于機(jī)床進(jìn)行“學(xué)習(xí)”后生成的曲線。

ATRIS 系統(tǒng)學(xué)習(xí)功能主要是通過(guò)一段正常的加工狀態(tài)得出機(jī)床的各種監(jiān)控參數(shù)。它可以通過(guò)手動(dòng)或者自動(dòng)的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)時(shí)也可以自動(dòng)產(chǎn)生各種極限范圍，如斷裂極限默認(rèn)為峰值極限的2 倍，磨損極限默認(rèn)為峰值極限的1.5 倍，這些設(shè)置也可以手動(dòng)修改。為免學(xué)習(xí)過(guò)程中出現(xiàn)的峰值與正常加工不同，進(jìn)給控制器在此過(guò)程中必須保持為100%。學(xué)習(xí)時(shí)機(jī)床加工過(guò)程至少需要運(yùn)行三次。系統(tǒng)學(xué)習(xí)第一次加工時(shí)將自動(dòng)確定放大倍數(shù)，學(xué)習(xí)第二次加工時(shí)將確定學(xué)習(xí)信號(hào)軌跡，第三次將開始會(huì)激活監(jiān)控功能。

4 ARTIS 系統(tǒng)的應(yīng)用

對(duì)于航空件而言，其工件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、類型多變、生產(chǎn)批量小、精度和表面質(zhì)量要求高，還有材料也多樣;汽車業(yè)的工件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、類型少、批量大、各種要求都很低，因此在航空工業(yè)應(yīng)用ARTIS 將會(huì)面臨許多新問(wèn)題。比如對(duì)于一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的航空件，如果以一種監(jiān)控參數(shù)監(jiān)控整個(gè)工件可能導(dǎo)致ARTIS 監(jiān)控的信號(hào)范圍較大，會(huì)使監(jiān)控的可靠性降低。航空工件類型多變，因此以一種參數(shù)對(duì)不同工件進(jìn)行監(jiān)控是不可靠的，需要根據(jù)加工方案來(lái)調(diào)整監(jiān)控參數(shù)。

可以考慮使用特征的方案進(jìn)行監(jiān)控。首先將不同的加工方案進(jìn)行學(xué)習(xí)，得到的不同學(xué)習(xí)結(jié)果記錄機(jī)床中，以后每次加工該特征時(shí)系統(tǒng)就調(diào)用該類型的學(xué)習(xí)記錄，通過(guò)對(duì)比來(lái)監(jiān)控機(jī)床狀態(tài)，不過(guò)這需要編程時(shí)首先對(duì)工件進(jìn)行特征識(shí)別，再將相應(yīng)指令加入程序中，由于這對(duì)工藝水平有較高的要求，但目前的自動(dòng)識(shí)別特征的技術(shù)還不能保證識(shí)別完全正確，因此容易出現(xiàn)問(wèn)題。為了降低要求可以簡(jiǎn)化分析工件加工特征，如將銑削分為3 大類:軸向加工、銑螺紋和常規(guī)銑削。每大類下分為若干小類，例如常規(guī)銑削可分為加工方式與加工部位。加工方式包括粗銑、半精銑、精銑。加工部位可簡(jiǎn)單分為筋高(筋、緣條頂面之類)、腹板、內(nèi)外形(加工側(cè)壁)。因此常規(guī)銑削共有九種方案。以上分類可加入前置指令當(dāng)中，工藝編程的相關(guān)指令必須規(guī)范，便于后置處理時(shí)自動(dòng)添加相關(guān)指令，避免工藝員手動(dòng)添加。ARTIS 中并沒有與特征對(duì)應(yīng)的編號(hào)信號(hào)，因此可以將ARTIS 中流程編號(hào)系統(tǒng)改造成所需的特征編號(hào)系統(tǒng)。ARTIS 流程編號(hào)由下述幾部分組成:工位名稱、程序編號(hào)、T 編號(hào)、D 編號(hào)、機(jī)加工編號(hào)。它是后置處理的依據(jù)。后置處理程序根據(jù)工藝員在程序前置中提供的前置指令、加工刀具信息，自動(dòng)生成相應(yīng)的ARTIS 監(jiān)控指令。程序編號(hào)可以用于代表銑削方式，T編號(hào)用于設(shè)置刀長(zhǎng)，D 編號(hào)用于設(shè)置刀具工作長(zhǎng)度，機(jī)加工編號(hào)可用于表達(dá)刀具的底角R，保留小數(shù)點(diǎn)后一位，最后一位即為小數(shù)點(diǎn)后的R 值。最后還要建立程序前置中刀具命名規(guī)則，程序前置中的刀具信息必須與實(shí)際一致，工作長(zhǎng)度及底角R 信息必須正確。

ARTIS 不僅可以用于監(jiān)控機(jī)床，也可以成為工藝員優(yōu)化程序的一個(gè)有效工具。在以前的加工參數(shù)試切中，工藝員采用的是比較原始、模糊的判斷方式，比如聽聲音、看加工表面等，難以做到數(shù)字量化，但是在結(jié)合了ARTIS 系統(tǒng)監(jiān)控功能的機(jī)床，可以對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行比較客觀和科學(xué)的判斷和評(píng)價(jià)。例如，主軸廠商一般會(huì)給用戶一張恒功率曲線圖，通過(guò)該圖可以清楚了解恒功率轉(zhuǎn)速范圍和其拐點(diǎn)，一般認(rèn)為在該范圍中主軸功率、振動(dòng)等表現(xiàn)較好。但經(jīng)過(guò)用ARTIS 系統(tǒng)采集各種試切時(shí)的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)在有負(fù)載情況下的振動(dòng)，不一定與空載時(shí)的規(guī)律相同，在負(fù)載加工時(shí)情況變得更加復(fù)雜，而空載時(shí)主軸特性規(guī)律僅僅只能作為參考，不同半徑的刀具的空載曲線也不完全一樣。在工件加工狀態(tài)很好的情況下，適當(dāng)提高轉(zhuǎn)速，加工振動(dòng)值會(huì)更小，且更有利于加工效率的提高。

對(duì)維修與調(diào)整而言，ARTIS 可以提供非常完整的性能退化狀態(tài)記錄。機(jī)床可以通過(guò)不同時(shí)間加工的標(biāo)準(zhǔn)件(如拉氏試件、S 試件)來(lái)確定機(jī)床性能退化的狀態(tài)。在平時(shí)也能通過(guò)一些電流、功率等分析可以確定機(jī)床某些機(jī)械狀態(tài)下降的確切時(shí)間，以便分析原因。

在應(yīng)用ARTIS 時(shí)需注意兩個(gè)方面:(1)通過(guò)學(xué)習(xí)獲得合適的加工過(guò)程監(jiān)控參數(shù)，這需要采集大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(需針對(duì)不同特征、不同加工模式、不同刀具進(jìn)行學(xué)習(xí)獲得相應(yīng)的監(jiān)控參數(shù));(2)如何規(guī)范現(xiàn)場(chǎng)操作人員對(duì)ARTIS 監(jiān)控報(bào)警后的處理，也需要由專門的技術(shù)人員和操作者跟蹤較長(zhǎng)一段時(shí)間，以掌握其狀態(tài)并規(guī)范對(duì)各種異常情況的處理。

盡管ATRIS 系統(tǒng)功能已經(jīng)較多，但仍然可以進(jìn)行進(jìn)一步的擴(kuò)展。例如可以考慮根據(jù)機(jī)床安裝的加速度傳感器的信號(hào)變化實(shí)現(xiàn)機(jī)床的防撞功能。操作者錯(cuò)誤的操作有時(shí)會(huì)使機(jī)床受到不正常的碰撞或干涉。工藝的一些不合理也可能導(dǎo)致機(jī)床受到碰撞或干涉。通過(guò)加速度傳感器信號(hào)的變化可以使機(jī)床在信號(hào)急劇變小時(shí)停止機(jī)床運(yùn)動(dòng)，雖然由于撞擊時(shí)間的因素，該方案也許不能完全避免撞擊的發(fā)生，但可以減小撞擊或者機(jī)床干涉的后果。節(jié)能是目前加工中考慮的一個(gè)重要因素，顯然通過(guò)ATRIS 系統(tǒng)的圖形也可以對(duì)節(jié)能加工進(jìn)行分析。

5 結(jié)語(yǔ)

ATRIS 系統(tǒng)功能不少，但有些功能用戶沒有用好，甚至有些功能并沒有被關(guān)注。有些功能對(duì)用戶的要求較高，用戶必需做出很多技術(shù)上、管理上的突破才可能進(jìn)行應(yīng)用。如系統(tǒng)的自適應(yīng)控制，該功能能有效地提升機(jī)床的加工效率，但對(duì)用戶的要求較高，工藝員能給出合理的工藝參數(shù)以供系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，操作人員也能快速的判斷一些機(jī)床加工狀態(tài)，比如聲音、振動(dòng)、電流、溫度等是否異常。目前一般認(rèn)為自適應(yīng)控制僅能適用于粗加工。ATRIS 系統(tǒng)也可用于機(jī)床加工中刀具出現(xiàn)異常時(shí)自動(dòng)換刀。在加工時(shí)如果出現(xiàn)一些如磨損監(jiān)控報(bào)警時(shí)可以使機(jī)床首先自動(dòng)記錄程序段號(hào)，調(diào)用子程序法向抬刀后再執(zhí)行測(cè)刀長(zhǎng)的操作，然后通過(guò)測(cè)得的刀長(zhǎng)判斷，如果刀具磨損，機(jī)床即自動(dòng)更換備用刀具后回?cái)帱c(diǎn)進(jìn)行加工，上述操作要求最終用戶具備比較強(qiáng)大的開發(fā)能力，能在機(jī)床廠商的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)應(yīng)用。

ATRIS 系統(tǒng)盡管功能強(qiáng)大，但它還是有一些可以改進(jìn)之處。例如當(dāng)出現(xiàn)一些異常報(bào)警后，不能人為地將監(jiān)控進(jìn)行暫停，監(jiān)控會(huì)自動(dòng)繼續(xù)進(jìn)行;對(duì)一些難以避免的操作(如單段執(zhí)行程序，或者進(jìn)給控制器電位由于某種原因必須在0%位)，此時(shí)ARTIS 不能自動(dòng)識(shí)別當(dāng)前操作，系統(tǒng)認(rèn)為狀態(tài)出現(xiàn)突變、異常;一些老機(jī)床上ARTIS 運(yùn)行時(shí)間過(guò)久后，系統(tǒng)資源占用過(guò)大引起PCU 運(yùn)行速度下降等。

［1］成飛公司. ARTIS 應(yīng)用總結(jié)［Z］.

［2］ARTIS 公司. CTM 用戶手冊(cè)［Z］.

［3］ARTIS 公司. CTM 安裝手冊(cè)［Z］.