谷春春

摘要：本文提出了一種數(shù)控加工過程中刀具在線監(jiān)控系統(tǒng)，并詳細介紹了用主軸電機電流作為刀具在線監(jiān)控系統(tǒng)信號源的原理及優(yōu)勢。該系統(tǒng)的應用可使數(shù)控加工中機床故障停機時間減少，工藝穩(wěn)定性、機床利用率、刀具壽命和生產(chǎn)管理追溯性等性能均有質(zhì)的提升。

關(guān)鍵詞：刀具在線監(jiān)控;數(shù)控加工;刀具壽命管理;主軸電流

0 ?引言

在切削過程中，刀具的磨損以及由于加工因素異常帶來的刀具破損等情況不可避免，因此需要通過系統(tǒng)設(shè)置刀具檢測功能來及時更換刀具，避免刀具意外受損，延長刀具壽命周期，降低生產(chǎn)成本。開發(fā)具備上述功能的刀具在線監(jiān)控系統(tǒng)，實時對零件的切削狀態(tài)進行動態(tài)跟蹤，基于大量可追溯的加工過程記錄對刀具磨損程度及刀具壽命進行監(jiān)控和不斷優(yōu)化，定時、定量更換刀具，以期實現(xiàn)刀具管理的使用成本最小化。

1 ?刀具在線監(jiān)控系統(tǒng)的原理

刀具監(jiān)控是指在產(chǎn)品切削加工過程中，通過檢測各類傳感器信號變化，將刀具的加工參數(shù)，連同加工材料的類型和主軸轉(zhuǎn)速一起輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡控制器中。由神經(jīng)網(wǎng)絡控制器計算負載，將得出的負載數(shù)據(jù)輸至檢測器，最后將輸入信號同檢測器輸出的結(jié)果進行比較，若該負載大于刀具疲勞條件下的裂紋擴展負載，則意味著刀具磨損到一定程度，或發(fā)生崩刃、破損、卷刃等工況，喪失其切削能力或無法保障加工質(zhì)量的情形，此時監(jiān)控系統(tǒng)會控制CNC報警停機，達到保證加工安全的目的。

刀具在線監(jiān)控的方法很多，一般可分為直接測量法和間接測量法。直接測量法包括接觸監(jiān)測法和光學監(jiān)測法，接觸監(jiān)測由于需要停機監(jiān)測、無法實現(xiàn)實時監(jiān)測、增加加工節(jié)拍等弊端使用范圍不是很廣;而光學監(jiān)測雖直觀，但受空間和環(huán)境限制使用范圍同樣受限。間接測量法主要是利用監(jiān)測系統(tǒng)中的傳感器讀取切削過程中刀具的各種信號，如振動、切削力、功率、電流、聲波等信號而實現(xiàn)在線監(jiān)測控制的目的，其原理因監(jiān)控信號類型及讀取信號方法的不同而略有差異。

本文介紹的刀具在線監(jiān)控系統(tǒng)即電流式刀具在線監(jiān)控系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集處理單元的傳感器通過監(jiān)控電機電流和功率信號進行在線采集，這些數(shù)據(jù)反映了加工的實時狀態(tài)，對加工過程進行實時控制。

2 ?刀具在線監(jiān)控系統(tǒng)實施必要性及潛在效益分析

整個產(chǎn)品的制造過程是一個多因素耦合的“黑盒子”，每個因素的波動都會導致整個制造結(jié)果的不穩(wěn)定，制造過程是否優(yōu)化，對制造成本有著極大的影響。為增加產(chǎn)品加工工藝穩(wěn)定性，傳統(tǒng)工藝在加工過程刀具狀態(tài)監(jiān)控方面增加了相關(guān)防錯改進，如接觸式的斷刀保護裝置來檢測易斷刀具是否完整、刀具壽命宏程序來控制達到使用壽命的刀具強制換刀。但兩種技術(shù)均存在一定的局限性：①針對機床上安裝的斷刀保護裝置，機械接觸式會增加走刀路徑，額外增加節(jié)拍時間約為30s/把/次;同時為保證加工效率，在機床安裝相關(guān)探測裝置，只能對特定刀具進行監(jiān)控。此外，只能停機檢測，無法實現(xiàn)實時在線監(jiān)控以保證監(jiān)控的時效性。②針對內(nèi)嵌在加工程序中的刀具壽命宏程序，實現(xiàn)方式為計數(shù)器的形式，其中額定刀具壽命仍為理論經(jīng)驗值，準確性與實際加工相比仍有一定差異。通過引入刀具在線監(jiān)控系統(tǒng)，可有效優(yōu)化上述工藝的不足，并可最大限度地幫助減少機床停機時間和降低廢品率，監(jiān)測和管理批量生產(chǎn)過程中的刀具磨損。

此外，隨著自動化生產(chǎn)線的實施與推廣，對生產(chǎn)過程的異常識別、加工過程的精確控制提出了更為嚴苛的要求。趨于無人化操作的加工過程，要求擺脫傳統(tǒng)的人工確認機床狀態(tài)、刀具磨損情況等觀念和運行模式，系統(tǒng)自動識別加工異常并報警，減少因撞刀等異常過程帶來的批量報廢或更大損失，保證過程穩(wěn)定;同時系統(tǒng)積累并分析批量生產(chǎn)時的強大數(shù)據(jù)庫，獲取更為精確的刀具加工壽命，為有效降低刀具成本，進一步降低生產(chǎn)管理成本，提高技術(shù)能力和質(zhì)量控制有著重要意義。

刀具在線監(jiān)控系統(tǒng)可保護機加工過程的穩(wěn)定性，避免因刀具磨損、斷裂等造成的撞機;優(yōu)化刀具壽命;即刻停機，避免因刀具磨損、斷裂等造成的撞機，避免二次損傷或更大損失;降低因人為原因造成的刀具成本的增加;采集詳細數(shù)據(jù)用于過程參數(shù)優(yōu)化，實現(xiàn)加工過程可追溯化管理。

3 ?刀具在線監(jiān)控系統(tǒng)在CNC加工中的應用

刀具在線監(jiān)控系統(tǒng)在數(shù)控立式加工中心上應用，研究T1玉米銑刀和T2 D70鏜刀的應用數(shù)據(jù)。

3.1 刀具破損監(jiān)控-漏裝刀、斷刀情況

圖1為T1玉米銑刀切削加工時的刀具監(jiān)控系統(tǒng)界面。界面中綠色曲線為刀具切削加工標準走勢曲線，橫坐標代表加工時間，縱坐標代表傳感器監(jiān)測的機床主軸電流值，獲取方法為選取新刀片對零件進行3-5次加工后自動生成平均值作為刀具切削該零件的標準曲線，然后系統(tǒng)會在刀具監(jiān)測范圍自動核算刀具加工負載值，生成磨損極限及破損極限（極限值可根據(jù)實際加工情況進行調(diào)整優(yōu)化并受控固化）;藍色曲線代表每次切削刀具傳感器監(jiān)測到刀具的實際負載值，通過與標準加工負載走勢圖進行對比，可判斷工具的異常狀態(tài)（破損或磨損），下同。左圖中可看到實際加工曲線與標準曲線重合較好，尚未達到磨損極限，刀具狀態(tài)正常。右圖為模擬斷刀、漏裝刀等情況，在不安裝工件情況下對空程加工狀態(tài)進行監(jiān)控，實際加工曲線與標準曲線偏離較大，同時蜂鳴器報警提示加工狀態(tài)異常。刀具在線監(jiān)控系統(tǒng)的使用可極大增強切削加工工藝的穩(wěn)定性，避免撞機時間帶來的損失和安全風險。

3.2 刀具磨損情況監(jiān)控

加工曲線中的一張，匯總該刀具所有加工情況可以看出刀具加工情況曲線隨著加工件數(shù)的增加的變化規(guī)律。如圖2。

該刀具在使用監(jiān)控系統(tǒng)前，其壽命是靠理論經(jīng)驗值定義，換刀頻次為1次/班，加工件數(shù)約160件。匯總?cè)斓毒弑O(jiān)控結(jié)果可知，新?lián)Q刀片初始加工時，實際加工曲線（藍色）與標準曲線（綠色）吻合較好。隨著加工件數(shù)的增加，實際加工曲線逐漸偏離標準曲線并向磨損極限靠近，當加工至160件左右，通過刀具和零件表面質(zhì)量判定該刀具仍可繼續(xù)加工。當加工至191件時，零件達到磨損極限，系統(tǒng)報警并控制機床自動停機，從刀具及零件質(zhì)量方面判定該刀具確實達到使用壽命。對比以往報警記錄，每把刀加工零件個數(shù)穩(wěn)定在190±10件，且零件質(zhì)量相對穩(wěn)定。數(shù)據(jù)顯示，該刀具在該工序刀具壽命提升18.8%，表明傳統(tǒng)加工模式中刀具壽命仍存在較大提升潛力，通過刀具在線監(jiān)控系統(tǒng)的使用可達到一定降低加工成本，并減輕操作人員勞動力的效果。

4 ?結(jié)論

結(jié)合刀具在線監(jiān)控系統(tǒng)在某產(chǎn)品切削加工中的應用實例，通過對刀具使用狀態(tài)的適時監(jiān)控，可以對加工過程持續(xù)優(yōu)化，增加刀具的耐用度，減少加工周期和加工成本。同時在監(jiān)控過程中出現(xiàn)機床負載報警時可以緊急停機，最大限度的保護機床工件和刀具不受損傷，減少人機受損的風險，生成管控和質(zhì)量管控都有所提升。

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