喬 石，劉 闊，都書(shū)博，王鵬飛，王永青

（1.大連理工大學(xué)，大連 116024；2.中國(guó)航發(fā)貴州黎陽(yáng)航空動(dòng)力有限公司，貴陽(yáng) 550000）

葉片是構(gòu)成航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的基本單元，其加工精度和表面質(zhì)量直接影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。壓氣機(jī)葉片的加工過(guò)程具有加工難度高、數(shù)量多的特點(diǎn)[1]，導(dǎo)致在加工過(guò)程中，操作者不易實(shí)時(shí)用肉眼對(duì)刀具的加工狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和判斷，且換刀時(shí)機(jī)依賴經(jīng)驗(yàn)，刀具壽命不能被充分利用，嚴(yán)重影響了加工效率，增加了加工成本。因此，如何實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和判斷刀具加工狀態(tài)并準(zhǔn)時(shí)更換磨鈍的刀具，是葉片加工過(guò)程中需要解決的問(wèn)題。

近年來(lái)，隨著傳感器技術(shù)的不斷革新，刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究得到了迅速發(fā)展。Chen 等[2]通過(guò)對(duì)切削力、振動(dòng)和聲發(fā)射信號(hào)的研究，預(yù)測(cè)了銑刀的磨損量；Huang 等[3]采集切削力和振動(dòng)信號(hào)，建立了數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型，預(yù)測(cè)了球頭銑刀的磨損量；Shen 等[4]基于希爾伯特-黃變換(HHT)算法，研究了主軸功率信號(hào)在不同切削條件下刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用；付洋[5]通過(guò)對(duì)切削振動(dòng)信號(hào)的研究，實(shí)現(xiàn)了對(duì)刀具振動(dòng)和磨損的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)；王海麗等[6]使用功率信號(hào)和聲發(fā)射信號(hào)建立了功率曲線的自回歸時(shí)序模型，實(shí)現(xiàn)了刀具狀態(tài)的自動(dòng)識(shí)別；李聰波等[7]使用功率信號(hào)，提出一種實(shí)時(shí)更新切削功率閾值的方法，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控車削批量加工的在線監(jiān)測(cè)。對(duì)以上文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)監(jiān)測(cè)切削過(guò)程中產(chǎn)生的切削力、聲音、振動(dòng)、功率等信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具加工狀態(tài)及磨損狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，屬于間接監(jiān)測(cè)方法。與傳統(tǒng)的直接測(cè)量刀具磨損量的方法相比，間接測(cè)量方法具有不影響加工過(guò)程、可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加工過(guò)程的優(yōu)點(diǎn)，更適宜于加工中的狀態(tài)監(jiān)測(cè)[8]。

在眾多間接監(jiān)測(cè)方法中，切削力、振動(dòng)和聲發(fā)射信號(hào)這3 種監(jiān)測(cè)方法的靈敏度相對(duì)高，但需要對(duì)機(jī)床進(jìn)行改造，其準(zhǔn)確性受環(huán)境因素干擾[9]。而功率信號(hào)采集方便，抗干擾能力強(qiáng)，且功率傳感器具有實(shí)用性強(qiáng)、對(duì)加工過(guò)程無(wú)影響等優(yōu)點(diǎn)[10]，相比之下更能應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)加工。

本文針對(duì)上述葉片加工過(guò)程中存在的問(wèn)題，將基于功率信息的刀具監(jiān)測(cè)方法應(yīng)用到葉片的銑削加工過(guò)程中，開(kāi)發(fā)基于功率信息的刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)采集到的主軸功率數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)分析、離線學(xué)習(xí)，利用比例系數(shù)法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到功率閾值區(qū)間，以功率閾值區(qū)間為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)刀具加工過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)刀具的已使用壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。

基于功率信息的刀具監(jiān)測(cè)方法

1 基于功率信息的刀具監(jiān)測(cè)原理

在加工過(guò)程中，隨著刀具磨損程度的增加，切削力和主軸扭矩不斷增大，從而引起主軸功率增加。Cuppini 等[11]基于功率信號(hào)提出了利用閾值的方式作為監(jiān)控策略，認(rèn)為在批量生產(chǎn)的過(guò)程中，同一工序的加工產(chǎn)生的功率信號(hào)呈周期性變化，可以保存一個(gè)周期內(nèi)的功率信號(hào)，并以此作為基準(zhǔn)將以后的每一次加工功率來(lái)進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)實(shí)際加工情況設(shè)定磨損閾值來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。邵華等[12]將這種方法歸納為常閾值監(jiān)控法。

在實(shí)際加工過(guò)程中，機(jī)床主軸功率除了受刀具磨損而變化外，也會(huì)因切削參數(shù)的不同而動(dòng)態(tài)變化。主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、切削深度等加工參數(shù)都會(huì)實(shí)時(shí)影響切削功率[13-14]。所以，對(duì)于切削參數(shù)不固定的小批量加工，常閾值監(jiān)控法容易造成閾值失效的問(wèn)題。但是對(duì)于切削參數(shù)都固定的大批量流水線式加工，常閾值監(jiān)控法有一定的實(shí)用性。

因此，對(duì)于切削參數(shù)固定的加工過(guò)程，將多個(gè)加工過(guò)程的主軸功率進(jìn)行采集并分組學(xué)習(xí)，可以得到刀具加工狀態(tài)功率閾值區(qū)間。以此功率閾值區(qū)間為監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具加工狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，對(duì)于斷刀、崩刃等加工過(guò)程中突發(fā)的加工異常情況，可以做到及時(shí)報(bào)警停機(jī)，減少經(jīng)濟(jì)損失，監(jiān)測(cè)原理如圖1所示。

圖1 基于功率信息的刀具監(jiān)測(cè)原理Fig.1 Principle of tool monitoring based on power information

此外，按照工步的不同，對(duì)刀具加工狀態(tài)功率閾值區(qū)間的上閾值進(jìn)行分段分析，可以了解各個(gè)工步中刀具磨鈍時(shí)主軸功率的消耗情況，選取一個(gè)工步中的穩(wěn)定波形區(qū)域，將其所有上閾值功率取均值[15]，可以以此均值作為該工步的刀具磨鈍功率值，對(duì)刀具的磨損情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，判斷一把刀具在該工步是否已經(jīng)達(dá)到了嚴(yán)重磨損的標(biāo)準(zhǔn)。

2 功率閾值區(qū)間建立方法

對(duì)于采集到的各組主軸功率數(shù)據(jù)，通過(guò)算法對(duì)各組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可以得到功率的上閾值和下閾值。在切削參數(shù)固定的條件下，每個(gè)加工過(guò)程采集到的功率其時(shí)間周期都是固定的，因此，可以利用比例系數(shù)法[12]對(duì)多組功率數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

刀具加工狀態(tài)功率閾值區(qū)間Pu（t）和Pd（t）可表示為：

式中，Pu（t）和Pd（t）分別為t時(shí)刻的功率上閾值和下閾值，由加工周期中各個(gè)時(shí)刻的Pu（t）和Pd（t）構(gòu)成了功率閾值區(qū)間；為t時(shí)刻的功率均值；σ為比例系數(shù)，以獲取最合適的功率閾值區(qū)間為目的，可以根據(jù)實(shí)際采集的功率情況進(jìn)行人為設(shè)定；Su（t）為t時(shí)刻的上功率偏差，由t時(shí)刻時(shí)所有大于的功率數(shù)據(jù)取偏差得到；Sd（t）為t時(shí)刻的下功率偏差，由t時(shí)刻時(shí)所有小于的功率數(shù)據(jù)取偏差得到。

刀具壽命功率閾值Ph和Pl可以表示為：

式中，Ph和Pl分別為某個(gè)工步中刀具的磨損功率閾值和初始功率閾值；n為該工步中上下功率閾值個(gè)數(shù)；Pu（t）和Pd（t）分別為t時(shí)刻的功率上閾值和下閾值。

基于功率信息的刀具監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

1 刀具監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架

依據(jù)機(jī)床主軸功率消耗值隨著刀具的磨損而變大的原理，融合離線學(xué)習(xí)模塊，得到了刀具監(jiān)測(cè)功率閾值區(qū)間。該功率閾值區(qū)間分別包括刀具加工狀態(tài)功率閾值區(qū)間、刀具壽命功率閾值區(qū)間。通過(guò)將加工過(guò)程中采集到的功率信號(hào)值與功率閾值區(qū)間中的上下極限閾值實(shí)時(shí)進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)了對(duì)刀具加工狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及對(duì)刀具剩余壽命的預(yù)估。基于功率信息的刀具監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 基于功率信息的刀具監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架Fig.2 Framework of tool monitoring system based on power information

2 刀具監(jiān)測(cè)軟硬件系統(tǒng)

基于以上系統(tǒng)框架，開(kāi)發(fā)了基于功率信息的刀具監(jiān)測(cè)軟硬件系統(tǒng)。

硬件系統(tǒng)中，通過(guò)傳感器和功率采集模塊對(duì)機(jī)床的主軸功率實(shí)時(shí)采集，并實(shí)時(shí)發(fā)送到工控機(jī)或計(jì)算機(jī)上，圖3 為硬件系統(tǒng)實(shí)物圖。

圖3 基于功率信息的刀具監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)Fig.3 Tool monitoring hardware system based on power information

軟件系統(tǒng)基于NI LabVIEW 2017 開(kāi)發(fā)，其中包含5 個(gè)模塊，分別為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、離線學(xué)習(xí)、在線監(jiān)測(cè)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。圖4 為軟件系統(tǒng)界面，數(shù)據(jù)采集模塊可以配置串口及控制采集開(kāi)始和停止，也可以實(shí)時(shí)顯示采集到的功率波形圖；數(shù)據(jù)分析模塊可以對(duì)采集到的多組數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入對(duì)比查看，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪保存；離線學(xué)習(xí)模塊可以對(duì)多組數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入并學(xué)習(xí)，生成刀具加工狀態(tài)功率閾值區(qū)間和刀具壽命功率閾值區(qū)間；在線監(jiān)測(cè)模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具加工狀態(tài)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和對(duì)刀具壽命的預(yù)測(cè)；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊可以對(duì)監(jiān)測(cè)過(guò)的刀具加工狀態(tài)及壽命信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，方便使用者對(duì)某個(gè)時(shí)期的加工情況進(jìn)行了解和分析。

圖4 基于功率信息的刀具監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)Fig.4 Tool monitoring software system based on power information

此外，刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)軟件中，設(shè)計(jì)了免疫時(shí)間機(jī)制，該免疫時(shí)間可以人為設(shè)置，只有當(dāng)連續(xù)監(jiān)測(cè)到免疫時(shí)長(zhǎng)的狀態(tài)異常，軟件才會(huì)報(bào)警，避免了由于換刀造成的功率波動(dòng)帶來(lái)的誤報(bào)警。

該基于功率信息的刀具監(jiān)測(cè)軟硬件系統(tǒng)可以應(yīng)用于銑削、鉆削、車削等主軸功率容易采集到的加工過(guò)程。

葉片銑刀監(jiān)測(cè)試驗(yàn)及分析

1 功率數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)以航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)小型葉片（葉片材料為鎳基高溫合金GH4169）的銑削加工過(guò)程為研究對(duì)象，采用瑞士威力銘518TBD 五軸加工中心機(jī)床進(jìn)行銑削加工，利用功率采集模塊實(shí)時(shí)采集葉片加工過(guò)程中的主軸功率數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中采用的功率采集模塊為三相電參數(shù)傳感器，型號(hào)為HGE99H81，采樣頻率20Hz，配套有6 個(gè)電流互感器及1 個(gè)三角形轉(zhuǎn)星形變換器。

將功率采集模塊接入主軸電路中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸功率的實(shí)時(shí)采集。圖5所示為葉片加工過(guò)程的主軸功率波形。所用4 把刀具的加工過(guò)程與圖中的功率波段相對(duì)應(yīng)。

圖5 葉片加工功率數(shù)據(jù)波形Fig.5 Power data waveform of blade machining

根據(jù)葉片加工車間工人長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)，一把精銑刀和銑根刀在加工約6 個(gè)葉片后就會(huì)達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，此兩把刀更換頻繁且對(duì)葉片加工精度影響較大。因此，此次試驗(yàn)以此兩把刀具的加工過(guò)程為主要研究對(duì)象，進(jìn)行對(duì)刀具加工狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和對(duì)刀具壽命的預(yù)測(cè)。

2 計(jì)算功率閾值區(qū)間

2.1 刀具加工狀態(tài)功率閾值區(qū)間

該加工過(guò)程中，各個(gè)加工參數(shù)由提前編好的數(shù)控程序設(shè)定，且長(zhǎng)期保持固定不變，各個(gè)毛坯件的余量差異小。因此，主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、切削深度等加工參數(shù)的變化相比于刀具磨損而言，對(duì)主軸功率的影響很小，滿足常閾值監(jiān)控法的監(jiān)控條件。

試驗(yàn)中，在一把精銑刀和銑根刀達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)前，共加工了7 個(gè)葉片，采集到7 條功率波形，將其進(jìn)行離線學(xué)習(xí)后得到功率閾值區(qū)間。圖6 為精銑刀的刀具加工狀態(tài)的功率閾值區(qū)間，圖7 為銑根刀的刀具加工狀態(tài)的功率閾值區(qū)間。

圖6 精銑刀的刀具加工狀態(tài)的功率閾值區(qū)間Fig.6 Power threshold range for machining condition of finish milling cutter

圖7 銑根刀的刀具加工狀態(tài)的功率閾值區(qū)間Fig.7 Power threshold range for machining condition of root milling cutter

2.2 刀具壽命功率閾值區(qū)間

試驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)精銑刀及銑根刀加工的第1 個(gè)零件和磨鈍前最后一個(gè)零件的功率波形進(jìn)行導(dǎo)入和截取，得到刀具的開(kāi)始加工時(shí)刻和結(jié)束加工時(shí)刻，并計(jì)算出該時(shí)間區(qū)間內(nèi)的初始平均功率和極限平均功率，得到刀具壽命功率閾值區(qū)間。表1 為精銑刀和銑根刀的刀具壽命功率閾值區(qū)間。

表1 刀具壽命功率閾值區(qū)間Table 1 Tool life threshold range based on power

3 刀具監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 刀具加工狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果

以刀具加工狀態(tài)功率閾值區(qū)間為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)120 個(gè)葉片的加工過(guò)程進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，圖8 為精銑刀的刀具加工狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果，圖9 為銑根刀的刀具加工狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果。由結(jié)果可知，當(dāng)?shù)毒吣モg時(shí)，被測(cè)功率值明顯變大，很多功率點(diǎn)都超過(guò)了上閾值區(qū)間，軟件此時(shí)觸發(fā)了加工異常報(bào)警。

圖8 精銑刀加工狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.8 Monitoring results of machining condition of finish milling cutter

圖9 銑根刀加工狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.9 Monitoring results of machining condition of root milling cutter

3.2 刀具壽命預(yù)測(cè)結(jié)果

以刀具壽命功率閾值區(qū)間為預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)20 把精銑刀和銑根刀的刀具壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，每加工完一個(gè)葉片預(yù)測(cè)一次，共得到137 組數(shù)據(jù)。其中，為了測(cè)試該系統(tǒng)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，故意讓刀具在已經(jīng)磨損的情況下繼續(xù)加工一個(gè)葉片，共制造了6 次刀具到壽情況。刀具壽命預(yù)測(cè)結(jié)果如表2所示。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

刀具加工狀態(tài)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示?？梢钥闯?，該系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度在90%以上，具有較好的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性。對(duì)刀具磨鈍導(dǎo)致的異常，其監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率較高，在葉片的實(shí)際加工過(guò)程中具有一定的參考價(jià)值，能為機(jī)床操作者節(jié)省部分精力，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)加工異常，降低廢品率。

表3 刀具加工狀態(tài)準(zhǔn)確性統(tǒng)計(jì)Table 3 Accuracy statistics of tool machining condition

對(duì)于刀具壽命預(yù)測(cè)情況，通過(guò)分析表2 中的刀具即將磨鈍內(nèi)容可知，在部分情況下，精銑刀和銑根刀在加工7 個(gè)零件后到壽，而在實(shí)際加工過(guò)程中，機(jī)床操作者憑借自己的加工經(jīng)驗(yàn)，在加工6 個(gè)零件后就會(huì)換刀，相比而言，刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)刀具壽命預(yù)測(cè)更精確，可以提高刀具的利用率，降低對(duì)刀具壽命的浪費(fèi)，節(jié)省葉片加工成本。此外，刀具壽命預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性情況如表4所示?？梢钥闯觯毒邏勖A(yù)測(cè)準(zhǔn)確率可以達(dá)到90%以上，具有較好的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，在實(shí)際加工過(guò)程中，該預(yù)測(cè)結(jié)果具有較高的參考價(jià)值。

表2 刀具壽命預(yù)測(cè)結(jié)果Table 2 Tool life prediction results

表4 刀具壽命預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性統(tǒng)計(jì)Table 4 Accuracy statistics of tool life prediction

結(jié)論

本文以航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片的銑削加工過(guò)程為研究對(duì)象，針對(duì)加工過(guò)程中刀具加工狀態(tài)不易實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、更換刀具時(shí)依賴經(jīng)驗(yàn)等問(wèn)題，利用基于功率信息的常閾值監(jiān)控法，開(kāi)發(fā)了刀具監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

（1）該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)主軸電機(jī)的功率信號(hào)進(jìn)行采集、分析和離線學(xué)習(xí)，得到了功率閾值區(qū)間，將加工過(guò)程中實(shí)時(shí)產(chǎn)生的主軸功率數(shù)據(jù)與區(qū)間數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)了對(duì)刀具加工狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和對(duì)刀具壽命的預(yù)測(cè)。

（2）試驗(yàn)表明，對(duì)于加工參數(shù)固定的葉片銑削加工過(guò)程，該刀具監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)刀具加工狀態(tài)是否異常做出準(zhǔn)確判斷，對(duì)刀具壽命的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度較高，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片加工領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。