■西安工業(yè)大學(xué) （陜西 710021） 郭天賜 曹 巖 李麗娟

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1.智能切削刀具在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在切削加工過(guò)程中，刀具持續(xù)的加工磨損會(huì)使刀具切削力的波動(dòng)和振動(dòng)噪聲增大，進(jìn)而使被加工工件的加工質(zhì)量和尺寸精度等重要因素的偏差越來(lái)越大，所以在自動(dòng)化的數(shù)控加工過(guò)程中，智能切削在線監(jiān)測(cè)尤為重要。切削加工中，任何工件的加工過(guò)程都少不了刀具的參與，并且損耗大，需求量多，更換速率頻繁，其在線監(jiān)測(cè)具有重要意義。

智能切削刀具在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的任務(wù)就是對(duì)刀具從入庫(kù)到報(bào)廢全程監(jiān)控，包括：入庫(kù)準(zhǔn)備期、使用準(zhǔn)備期、使用期到報(bào)廢期的全生命周期管理等多個(gè)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。其基本關(guān)系如圖1所示。其刀具生命周期全過(guò)程數(shù)據(jù)的采集與處理包括很多過(guò)程的協(xié)同作業(yè)，其基本運(yùn)行過(guò)程如圖2所示。

結(jié)合現(xiàn)有刀具管理流程構(gòu)建刀具管理模型，在整個(gè)管理過(guò)程中，通過(guò)物聯(lián)技術(shù)ZigBee構(gòu)建無(wú)限網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，視頻在線檢測(cè)模塊進(jìn)行刀具的磨損檢測(cè)。刀具從中央刀庫(kù)到裝夾對(duì)刀再到進(jìn)行加工生產(chǎn)以及拆卸全程都有視頻在線模塊的參與，極大程度的提高了刀具的管理效率和應(yīng)變能力。

2.入庫(kù)編碼

圖1 刀具全生命周期管理

圖2 刀具運(yùn)行過(guò)程

（1）刀具編碼準(zhǔn)則。基于物聯(lián)網(wǎng)的刀具管理系統(tǒng)，必須對(duì)刀具進(jìn)行編碼。并且合理有效的刀具編碼系統(tǒng)，有利于對(duì)種類(lèi)繁多的刀具進(jìn)行有效的智能管理，形成刀具編碼與刀具一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，提高刀具管理系統(tǒng)對(duì)刀具的管理與使用效率。只有對(duì)在線監(jiān)控刀具進(jìn)行編碼，才能在管理上合理有效的對(duì)刀具進(jìn)行在線檢索、在線識(shí)別、智能調(diào)度，合理安排刀具購(gòu)買(mǎi)和供應(yīng)、協(xié)調(diào)生產(chǎn)。

刀具編碼作為刀具識(shí)別的唯一準(zhǔn)則，必須具備多種性質(zhì)才能達(dá)到智能管理的要求，如圖3所示。

（2）刀具編碼方案。刀具編碼由一長(zhǎng)串定長(zhǎng)或不定長(zhǎng)的字符串或者數(shù)字組成，用來(lái)反映刀具對(duì)應(yīng)的類(lèi)別以及基本的參數(shù)。目前應(yīng)用最廣泛的就是柔性分類(lèi)編碼，該分類(lèi)編碼采用數(shù)字與字母相結(jié)合的方式，其結(jié)構(gòu)由固定碼和柔性碼組成。固定碼主要用來(lái)描述零件的綜合信息，如類(lèi)別、材料和總體尺寸等；柔性碼主要用來(lái)描述零件各部分詳細(xì)信息，如形位公差、尺寸精度等。

本系統(tǒng)采用柔性分類(lèi)編碼，編碼結(jié)構(gòu)由刀具類(lèi)碼、參數(shù)代碼、輔碼以及姐妹碼組成。其中，刀具類(lèi)碼反映刀具所屬類(lèi)別，參數(shù)代碼反映對(duì)應(yīng)的特征參數(shù)，輔碼反映刀具結(jié)構(gòu)、切削精度、材料等屬性，姐妹碼用來(lái)區(qū)分對(duì)應(yīng)相同類(lèi)別刀具。該系統(tǒng)的基本編碼結(jié)構(gòu)如表1所示。

（3）代碼的自動(dòng)生成。刀具編碼的生成與使用，最重要的就是回收與再次利用。在整個(gè)管理過(guò)程中，刀具的代碼會(huì)插入、刪除和修改，如果刪除或未利用的代碼不生成，就會(huì)留有很多代碼空余，影響代碼利用率，進(jìn)而代碼無(wú)限增大，超出范圍值，甚至導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫(kù)字段溢出，系統(tǒng)出錯(cuò)崩潰。所以，必須采取合適的方法對(duì)未利用的代碼實(shí)現(xiàn)回收，其基本方案如圖4所示。

3.基于改進(jìn)貝葉斯算法的工序-刀具流調(diào)度

刀具作為數(shù)控加工過(guò)程的重要組成部分，其合理的調(diào)配與否將直接關(guān)系到任務(wù)的加工效率以及生產(chǎn)成本。在實(shí)際生產(chǎn)加工過(guò)程中，刀柄相對(duì)刀頭更加昂貴與稀缺，因此，在實(shí)際的調(diào)度過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)對(duì)刀柄的調(diào)度才能降低刀具成本，提高刀具利用率。在這種環(huán)境下，尋求一種合適的工序與刀具集成調(diào)度方案能極大程度上降低加工成本，提高生產(chǎn)效率。所以，在數(shù)控加工過(guò)程中，加工工序的合理排序與刀柄資源的合理調(diào)配缺一不可，兩者都是制約企業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。

（1）改進(jìn)貝葉斯算法。由于傳統(tǒng)算法在求解類(lèi)似最優(yōu)解問(wèn)題的過(guò)程中，存在著收斂速度慢，陷入局部最優(yōu)解的缺點(diǎn)，本系統(tǒng)采用改進(jìn)貝葉斯算法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具流和工序流的集成優(yōu)化，以歷史運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)為初始解群，針對(duì)該算法的每一代解集，構(gòu)建基于變量取值的概率描述模型——改進(jìn)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，然后以所構(gòu)建的模型產(chǎn)生新的可行解用以組成下一代解群。

圖3 刀具編碼準(zhǔn)則

圖4 代碼自動(dòng)回收流程

表1 刀具編碼方案

（2）算法實(shí)現(xiàn)。根據(jù)柔性制造系統(tǒng)中工序流和刀具流之間具有一定邏輯關(guān)系組成的層次結(jié)構(gòu)，可以引入一種分層的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行表示與識(shí)別，其結(jié)構(gòu)區(qū)如圖5所示。

4.在線監(jiān)測(cè)

在數(shù)控加工中心的切削加工過(guò)程中，刀具的狀態(tài)是影響加工質(zhì)量和加工效率的關(guān)鍵性因素，刀具的磨損狀態(tài)、破損狀態(tài)，將直接影響刀具的加工精度，進(jìn)而導(dǎo)致加工工件表面粗糙度和尺寸精度的急劇降低。所以，在自動(dòng)化生產(chǎn)加工車(chē)間，刀具狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)尤其重要。本系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)檢測(cè)的方法，由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分對(duì)待測(cè)得刀具進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，軟件部分對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得倒對(duì)應(yīng)的磨損參數(shù)，其主要軟硬件需求如圖6所示。

圖5 分層貝葉斯優(yōu)化算法流程

（1）監(jiān)測(cè)硬件部分。在切削加工過(guò)程中，刀具的在線檢測(cè)尤為重要。而計(jì)算機(jī)視覺(jué)檢測(cè)方法的硬件部分需要采集清晰的圖像傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，圖像獲取的越清晰，所得圖像越多，速度越快，越能形成準(zhǔn)確可靠的刀具磨損數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析得到對(duì)應(yīng)規(guī)則的磨損值。圖像獲取方法是在CCD 工業(yè)相機(jī)下，利用光學(xué)放大鏡調(diào)整相機(jī)的焦距，得到清晰的刀具磨損區(qū)域圖像，然后通過(guò)圖像采集卡存入計(jì)算機(jī)中。其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理圖如圖7所示。

（2）監(jiān)測(cè)軟件部分。將所傳輸?shù)膱D片進(jìn)行分析處理，形成規(guī)范的管理和統(tǒng)計(jì)，是在線監(jiān)測(cè)軟件的基本任務(wù)。其基本過(guò)程是將獲取的圖像傳入計(jì)算機(jī)中，得到刀具在同一位置不同加工時(shí)間的磨損區(qū)域圖像，然后從圖像處理軟件中得到刀具磨損相對(duì)值。

圖6 在線檢測(cè)軟硬件需求

圖7 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理

用對(duì)應(yīng)的圖像處理軟件確定圖像的標(biāo)尺，分析圖片的曲面效應(yīng)所產(chǎn)生的誤差。然后通過(guò)標(biāo)尺的標(biāo)準(zhǔn)值以及刀具的測(cè)量值，得出刀具的實(shí)際磨損量。與未使用的刀具磨損量進(jìn)行對(duì)比，得出對(duì)應(yīng)的結(jié)果。磨損監(jiān)測(cè)整體流程圖如圖8所示。

5.智能管理系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用基于C#+EXT.NET技術(shù)的B/S三層框架結(jié)構(gòu)，采用Visual Studio2010軟件開(kāi)發(fā)程序，SQL Server2008作為數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，Win7環(huán)境下運(yùn)行。為提高數(shù)控加工中心刀具的利用率、減少研發(fā)時(shí)間、提高企業(yè)的管理水平、促進(jìn)企業(yè)的自動(dòng)化、信息化建設(shè)，該智能管理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)庫(kù)存管理、刀具采購(gòu)、在線監(jiān)測(cè)和系統(tǒng)管理等多個(gè)功能，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖9所示。

6.結(jié)語(yǔ)

圖8 磨損監(jiān)測(cè)整體流程

圖9 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

智能切削刀具在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)化數(shù)控加工制造有著重大作用。本系統(tǒng)通過(guò)對(duì)加工過(guò)程中刀具視覺(jué)在線監(jiān)測(cè)，得到對(duì)應(yīng)的刀具磨損參數(shù)，通過(guò)機(jī)床關(guān)鍵部位安裝的傳感器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，通過(guò)以太網(wǎng)傳輸?shù)街悄芄芾硐到y(tǒng)，最后對(duì)在線視覺(jué)監(jiān)控和實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與整理，完成對(duì)個(gè)體采購(gòu)、入庫(kù)編碼、在線監(jiān)測(cè)維護(hù)到報(bào)廢的全生命周期刀具生命全周期進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和管理，極大的提高了企業(yè)生產(chǎn)效率，降低成本、促進(jìn)企業(yè)的自動(dòng)化、信息化建設(shè)，對(duì)加工車(chē)間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化具有重要意義。（陜西省工業(yè)科技攻關(guān)項(xiàng)目，編號(hào)：2016GY-024，名稱(chēng)：整體結(jié)構(gòu)刀具虛擬設(shè)計(jì)與快速制造關(guān)鍵技術(shù)研究）