曹帥

摘 要：高速切削是一項先進的制造技術，它主要是通過對刀具工作狀態(tài)（包括溫度和振動）的實時監(jiān)測和基于二維碼的車間數(shù)字化工程對刀具進行管理和信息收集，從而做到高品質、高效率生產(chǎn)。

關鍵詞：高速切削；監(jiān)測；數(shù)字化；改造

中圖分類號：TG71 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）17-0120-02

1 高速切削刀具的發(fā)展與研究

1.1 高速切削的發(fā)展現(xiàn)狀

高速切削技術被公認為是源自Carl. Salomon的觀點：當切削速度增大到某一數(shù)值時，隨著切削速度的增加，切削溫度反而下降。但是，學者們對這一變化規(guī)律一直存有爭議，許多學者都對此進行了大量的實驗和探討，有著不同的觀點：一種觀點認為Salomon曲線是存在的，并且在一些輕金屬的加工過程中得到了證明；另一種觀點認為，切削溫度隨著切削速度的提高而不斷升高，直至達到工件材料的熔點。

無論哪種觀點正確，當前生產(chǎn)的價值追求就是：在盡量大的切削速度下，刀具溫度未達材料耐熱極限時，進行可靠、穩(wěn)定的高速切削工作。但是，在加工過程中還存在一些問題。為了保障工作人員的安全，機床普遍采用全封閉式安全門罩和高強度材料制成的觀察窗，工作人員無法實時獲取刀具的切削狀態(tài)。

1.2 課題研究依據(jù)

1.2.1 工件材料的性能

刀具熱性能是高速切削效率的重要指標之一，每種刀具工件材料都有其特定的加工范圍，不同材料的刀具切削加工同一種工件材料時的磨損形態(tài)和壽命有很大的不同。在實際應用中，刀具必須在其材料耐熱溫度范圍內進行切削加工。高速切削刀具發(fā)生很小的位移就會對工件精度造成很大的影響，而振動產(chǎn)生的位移影響在實際生產(chǎn)中尤為普遍。刀具的耐熱性和振動極值一般都是由刀具生產(chǎn)廠家提供的。

1.2.2 傳感器技術

本文利用傳感器實時獲取刀具的性能數(shù)據(jù)，監(jiān)測模塊使用熱電偶傳感器和激光測振儀。熱電偶傳感器直接測量刀具的溫度，把溫度信號轉換成熱電動勢信號，通過電氣儀表轉換成被測介質的溫度；激光測振儀是利用光學普遍的折射、反射效應，把發(fā)射的激光束作為光源，對細微的振動位移進行點測，然后處理數(shù)據(jù)并反饋。

1.2.3 數(shù)字化技術

數(shù)字化改造的第一步是將有關刀具的基本信息轉化、保存在二維碼中，便于管理網(wǎng)絡的實時監(jiān)控。利用數(shù)字化技術建立包括刀具的技術信息、應用信息和管理信息等內容完整、準確的數(shù)據(jù)庫，使刀具在生產(chǎn)線上實現(xiàn)網(wǎng)絡化管理，實現(xiàn)刀具與管理網(wǎng)絡的交互聯(lián)系、動態(tài)追蹤和實時反應與控制。

車間數(shù)字化工程的終端就是調度室，調度室收集和匯總刀具的實時狀態(tài)并進行處置。其中，包括遠程控制機床運行、發(fā)送警告至負責人，發(fā)送刀具情況到后勤部門，并對刀具進行補充和采購。

2 系統(tǒng)分析設計

該設備的系統(tǒng)結構分為三層：設備層、控制層、管理層。設備層主要是為了實現(xiàn)刀具運行狀態(tài)的監(jiān)測，完成對刀具切削的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，由各種傳感器等組成；控制層的主要功能是通過計算機處置刀具，由帶有以太網(wǎng)接口的PLC組成，以太網(wǎng)交換機與計算機聯(lián)網(wǎng)，向計算機傳送刀具狀態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)

過轉換后傳給管理層的計算機；管理層接入調度室，主要由計算機組成，提供集中管理功能，可以實現(xiàn)監(jiān)控刀具的運行工況、故障報警、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和上報情況等操作。

2.1 刀具監(jiān)測模塊設計

根據(jù)設計要求建立如圖1所示的刀具監(jiān)測模塊圖。

圖1 刀具監(jiān)測模塊圖

二維碼識別模塊：實現(xiàn)二維碼信息掃描、識別的功能，使用西門子SIMATIC MV440固定式二維碼讀碼器。該設備主要用于環(huán)境惡劣的工業(yè)應用條件下的工件讀碼。

溫度監(jiān)測模塊：在刀具端對刀具頭進行測溫的模塊。使用B型熱電偶傳感器元件完成溫度測量功能，該型元件耐溫達2 800℃，熱電性質穩(wěn)定，制造工藝簡單，價格較低。

振動監(jiān)測模塊：振動的位移監(jiān)測根據(jù)刀具中心（或基準點）距工件中心（或基準點）的距離變化使用非接觸式電渦流傳感器進行檢查。該元件有工作范圍大、靈敏度高和非接觸式測量等優(yōu)點。

2.2 系統(tǒng)軟件組成

系統(tǒng)軟件主要包括機床主控制程序和輔助管理程序。

機床主控制程序是用來實現(xiàn)機床運行等功能的。在執(zhí)行主控制程序時，先進行系統(tǒng)模塊連接檢查，如果該模塊出現(xiàn)問題，則運行結束。檢測正常后，啟動識別設備設置溫度和振動限值，運行傳感器，開始監(jiān)測刀具的切削狀態(tài)，一旦檢測到異常，則要立刻停車。

輔助管理程序是用來匯總信息、處理和上報相關信息的。當傳感器監(jiān)測到異常情況時，輔助管理程序開始運行，將情況通報至調度室，由調度室完成后續(xù)的工作。程序流程如圖2所示。

圖2 輔助管理程序流程圖

3 系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

3.1 激光打標

目前，使用較為廣泛的標識技術有兩種：①標簽掛載。這

種技術不利于刀具的使用，且標簽易損壞、丟失。②型號刻錄。這種技術應用得最多，但是標識容易被污蝕。

激光打標技術是新型的錄入技術，激光打標不用接觸物體表面即可打印，不會對刀具造成損害，不會對刀具的切削性能產(chǎn)生影響，具有成本低和使用壽命長等優(yōu)點。

3.2 熱電偶傳感器

在熱電偶回路中接入電位計E，只要保證電位計與連接熱電偶處的接點溫度相等，就不會影響回路中原來的熱電勢，原理如圖3所示。

3.3 激光測振儀

激光測振儀是基于光學干涉原理設計的，它采用非接觸式測量技術，可以實時測量刀具振動的位移量，分辨率、精度很高，工作原理如圖4所示。

圖3 熱電偶傳感器原理圖 圖4 激光測振儀系統(tǒng)示意圖

4 車間數(shù)字化

4.1 刀具入庫

先將刀具信息錄入系統(tǒng)，在刀具損壞后，可以及時提供生產(chǎn)所需的刀具。這樣做可以提高企業(yè)的經(jīng)濟效益，縮短生產(chǎn)準備周期。

4.2 刀具查詢

調度室可以實時查詢每臺正在切削的機床刀具的運行狀態(tài)，從統(tǒng)計的大量數(shù)據(jù)中可以獲取最優(yōu)刀具切削組合方案，提高刀具的利用率，延長刀具的使用壽命，降低生產(chǎn)成本。

二維碼不僅可以由機床設備讀取，工作人員也可以通過二維碼識別設備（比如手機）獲取刀具信息，這對工作人員進行設備安裝和調試刀具有一定的幫助。

4.3 刀具報廢

對于異常運行的刀具來說，接到警告的負責人要對刀具壽命進行全方面的檢測，對其重要尺寸、精度和角度進行維護和修復，延長其使用壽命。如果修整后的刀具還能繼續(xù)切削，則將該刀具錄入系統(tǒng)，這樣后勤部能實時獲取信息并減少采購計劃；對于檢測后精度和切削不達標且無法修整的刀具，要及時進行報廢處理。

4.4 刀具采購

后勤部根據(jù)調度室的數(shù)據(jù)匯總制訂采購計劃，合理調整生產(chǎn)資源，以保證生產(chǎn)的順利進行。

5 結束語

針對高速切削刀具的使用特點和研究現(xiàn)狀進行分析，并結合車間對刀具的管理要求，對刀具的運行狀態(tài)進行智能化監(jiān)控，在提高高速切削穩(wěn)定性方面獲得了較大的進步。結合二維碼信息采集技術，設計、開發(fā)了高速切削的數(shù)字化改造系統(tǒng)，以適應企業(yè)集成化和資源化的需求，降低了生產(chǎn)成本，提高了企業(yè)競爭力。本文中提及的高速切削數(shù)字化改造已基本獲得了成功，達到了預期的目標。

〔編輯：白潔〕

Digital Transformation of High-speed Cutting Tools

Cao Shuai

Abstract： High-speed cutting is an advanced manufacturing technology， it is mainly through the tool work status（including temperature and vibration）real-time monitoring and two-dimensional code based workshop on digitization project management and information gathering tool， thereby leading to high quality， high production efficiency.

Key words： high-speed cutting； monitoring； digitization； transformation

4.1 刀具入庫

先將刀具信息錄入系統(tǒng)，在刀具損壞后，可以及時提供生產(chǎn)所需的刀具。這樣做可以提高企業(yè)的經(jīng)濟效益，縮短生產(chǎn)準備周期。

4.2 刀具查詢

調度室可以實時查詢每臺正在切削的機床刀具的運行狀態(tài)，從統(tǒng)計的大量數(shù)據(jù)中可以獲取最優(yōu)刀具切削組合方案，提高刀具的利用率，延長刀具的使用壽命，降低生產(chǎn)成本。

二維碼不僅可以由機床設備讀取，工作人員也可以通過二維碼識別設備（比如手機）獲取刀具信息，這對工作人員進行設備安裝和調試刀具有一定的幫助。

4.3 刀具報廢

對于異常運行的刀具來說，接到警告的負責人要對刀具壽命進行全方面的檢測，對其重要尺寸、精度和角度進行維護和修復，延長其使用壽命。如果修整后的刀具還能繼續(xù)切削，則將該刀具錄入系統(tǒng)，這樣后勤部能實時獲取信息并減少采購計劃；對于檢測后精度和切削不達標且無法修整的刀具，要及時進行報廢處理。

4.4 刀具采購

后勤部根據(jù)調度室的數(shù)據(jù)匯總制訂采購計劃，合理調整生產(chǎn)資源，以保證生產(chǎn)的順利進行。

5 結束語

針對高速切削刀具的使用特點和研究現(xiàn)狀進行分析，并結合車間對刀具的管理要求，對刀具的運行狀態(tài)進行智能化監(jiān)控，在提高高速切削穩(wěn)定性方面獲得了較大的進步。結合二維碼信息采集技術，設計、開發(fā)了高速切削的數(shù)字化改造系統(tǒng)，以適應企業(yè)集成化和資源化的需求，降低了生產(chǎn)成本，提高了企業(yè)競爭力。本文中提及的高速切削數(shù)字化改造已基本獲得了成功，達到了預期的目標。

〔編輯：白潔〕

Digital Transformation of High-speed Cutting Tools

Cao Shuai

Abstract： High-speed cutting is an advanced manufacturing technology， it is mainly through the tool work status（including temperature and vibration）real-time monitoring and two-dimensional code based workshop on digitization project management and information gathering tool， thereby leading to high quality， high production efficiency.

Key words： high-speed cutting； monitoring； digitization； transformation

4.1 刀具入庫

先將刀具信息錄入系統(tǒng)，在刀具損壞后，可以及時提供生產(chǎn)所需的刀具。這樣做可以提高企業(yè)的經(jīng)濟效益，縮短生產(chǎn)準備周期。

4.2 刀具查詢

調度室可以實時查詢每臺正在切削的機床刀具的運行狀態(tài)，從統(tǒng)計的大量數(shù)據(jù)中可以獲取最優(yōu)刀具切削組合方案，提高刀具的利用率，延長刀具的使用壽命，降低生產(chǎn)成本。

二維碼不僅可以由機床設備讀取，工作人員也可以通過二維碼識別設備（比如手機）獲取刀具信息，這對工作人員進行設備安裝和調試刀具有一定的幫助。

4.3 刀具報廢

對于異常運行的刀具來說，接到警告的負責人要對刀具壽命進行全方面的檢測，對其重要尺寸、精度和角度進行維護和修復，延長其使用壽命。如果修整后的刀具還能繼續(xù)切削，則將該刀具錄入系統(tǒng)，這樣后勤部能實時獲取信息并減少采購計劃；對于檢測后精度和切削不達標且無法修整的刀具，要及時進行報廢處理。

4.4 刀具采購

后勤部根據(jù)調度室的數(shù)據(jù)匯總制訂采購計劃，合理調整生產(chǎn)資源，以保證生產(chǎn)的順利進行。

5 結束語

針對高速切削刀具的使用特點和研究現(xiàn)狀進行分析，并結合車間對刀具的管理要求，對刀具的運行狀態(tài)進行智能化監(jiān)控，在提高高速切削穩(wěn)定性方面獲得了較大的進步。結合二維碼信息采集技術，設計、開發(fā)了高速切削的數(shù)字化改造系統(tǒng)，以適應企業(yè)集成化和資源化的需求，降低了生產(chǎn)成本，提高了企業(yè)競爭力。本文中提及的高速切削數(shù)字化改造已基本獲得了成功，達到了預期的目標。

〔編輯：白潔〕

Digital Transformation of High-speed Cutting Tools

Cao Shuai

Abstract： High-speed cutting is an advanced manufacturing technology， it is mainly through the tool work status（including temperature and vibration）real-time monitoring and two-dimensional code based workshop on digitization project management and information gathering tool， thereby leading to high quality， high production efficiency.

Key words： high-speed cutting； monitoring； digitization； transformation