陳斯?jié)? 鄔遠坤

摘要：數(shù)控機床智能預警監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于加工中心系統(tǒng)中，可在高速運行過程中自動監(jiān)測預防機床加工數(shù)據(jù)及刀具與工件發(fā)生碰撞的危險信號，并進行報警及自動制動。在該系統(tǒng)中，由軟件給出預警信息及處理方法至機床控制端，將該模塊應(yīng)用于高速運動的數(shù)控機床中，通過試驗驗證其可行性和有效性。實驗表明：在高速運行過程中，智能預警監(jiān)測技術(shù)可準確識別并監(jiān)測機床主軸與工件發(fā)生碰撞、刀具斷裂的危險信號，同時發(fā)出報警、自動制動，以確保機床的安全運行。該技術(shù)可為高速運動的數(shù)控機床智能識別、預警、碰撞緩沖、刀具磨損/斷裂提升機床主軸刀具壽命提供實踐基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：機床主軸；傳感器；智能預警

中圖分類號：TG659文獻標志碼：A文章編號：1009-9492 （ 2022 ） S1-0017-04

Application of Intelligent Early Warning and Monitoring Technology for CNC Machine Tools

Chen Sijie，Wu Yuankun

（Guangdong Machinery Research Institute Co.，Ltd.，Guangzhou 510799，China）

Abstract： The intelligent early warning and monitoring technology of CNC machine tools is applied to the machining center system， which can automatically monitor the dangerous signals preventing the machining data of the machine tool and the collision between the tool and the workpiece during high-speed operation， and give an alarm and automatic braking. In this system， the software gave the warning information and processing method to the machine tool control end. The module was applied to the high-speed CNC machine tools， and its feasibility and effectiveness were verified through experiments. The experiment shows that in the process of high-speed operation， the intelligent early warning monitoring technology can accurately identify and monitor the danger signals of the collision between the machine tool spindle and the workpiece and the tool fracture， and at the same time send out the alarm and automatic brake to ensure the safe operation of the machine tool. This technology can provide a practical basis for intelligent identification， early warning， collision buffering， tool wear/fracture of high-speed CNC machine tools to improve the tool life of the machine tool spindle.

Key words： machine spindle； sensor； intelligent early-warning

0引言

隨著數(shù)控機床作為智能制造領(lǐng)域最關(guān)鍵的裝備之一，其智能化程度越來越高，這也給數(shù)控機床的安全運行提出了更高的要求。傳統(tǒng)數(shù)控裝置存在諸多弊端，無法滿足現(xiàn)代數(shù)控裝備對安全可靠性、智能性和實時性控制等方面的要求。本文分析數(shù)控機床智能預警監(jiān)測技術(shù)，智能預警系統(tǒng)結(jié)合外部傳感器裝置采用基于震動頻率和速度的方法對機床主軸，刀具使用壽命具有一定的實際應(yīng)用價值。智能預警監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)的應(yīng)用可極大的預防和提升機床主軸的保護及最大化增加刀具使用壽命。

1常見數(shù)控機床碰撞及刀具斷裂事故

數(shù)控機床出現(xiàn)故障時，大部分可能是技術(shù)人員操作不當或編程錯誤等原因造成碰撞事故，不僅會影響生產(chǎn)的正常進行，還會影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴重的還會影響機床使用壽命。當發(fā)生機床主軸、刀具與工件發(fā)生碰撞時，有以下幾種情況：

（1）在初始加工時，有程序編寫錯誤、刀具測量錯誤、程序傳輸錯誤、選刀錯誤、毛坯超出預期，毛坯過大與程序設(shè)定之毛坯不相符、工件材料硬度過高、裝夾因素，夾具干涉等加工前期準備及編程中未考慮到，導致一啟動機床就產(chǎn)生碰撞；

（2）在運行中過程中，出現(xiàn)人為的操作失誤、仿真結(jié)果與實際加工情況不符、機床系統(tǒng)或硬件加工時出現(xiàn)問題、機床電路以及氣路問題、會導致程序執(zhí)行時產(chǎn)生碰撞。

（3）程序結(jié)束階段，各數(shù)控軸的退刀動作順序錯誤，或裝夾工藝不科學，那么也有可能發(fā)生碰撞，造成材料損失甚至延誤工期。

（4）在加工過程中出現(xiàn)機床系統(tǒng)故障、程序丟失，停電等問題導致的事故。

2現(xiàn)階段軟硬件解決數(shù)控機床碰撞事故方式

（1）人為因素。機床運行中的人是保證機床安全運行的最重要力量，因此，要盡可能地減少人為因素導致的事故。在數(shù)控加工中心系統(tǒng)中，當出現(xiàn)程序錯誤報警或被撞報警后，首先要考慮是由于設(shè)備本身原因還是人為因素導致發(fā)生碰撞。如果是前者原因造成的，那么應(yīng)將報警信息通過系統(tǒng)分析，逐一對相應(yīng)的系統(tǒng)模塊參數(shù)進行排查；如果是后者導致的，則在采取制動措施后將程序刀路與刀具參數(shù)進行查看修改。

（2）控制系統(tǒng)。在高速運動狀態(tài)下進行判斷，在發(fā)現(xiàn)有可能與其它機床或工件發(fā)生碰撞威脅時應(yīng)立即進行制動控制。

（3）碰撞后。當出現(xiàn)危險信號或故障后不能正常運行時，應(yīng)及時設(shè)置防撞裝置，防止意外發(fā)生。

（4）采用自適應(yīng)技術(shù)來調(diào)整系統(tǒng)速度和主軸轉(zhuǎn)速。

3智能預警系統(tǒng)實際應(yīng)用情況

數(shù)控機床智能預警監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于加工中心系統(tǒng)中，可在高速運行過程中自動監(jiān)測預防機床加工數(shù)據(jù)及刀具與工件發(fā)生碰撞的危險信號，并進行報警及自動制動。智能預警系統(tǒng)結(jié)合外部傳感器裝置采用基于震動頻率和速度的方法對機床主軸，刀具使用壽命具有一定的實際應(yīng)用價值。

3.1軟硬件及系統(tǒng)處理方式

傳感部件包括有功率采集和振動采集。有功率采集：電流互感器、智能制造控制器IMC；振動采集：三向振動傳感器、智能制造控制器VM01。圖1所示為振動傳感器安裝位置。

為了更好地采集加工過程中的信號和傳遞信號，需要具備抵抗電磁干擾和噪音干擾的能力。安裝于機床主軸的驅(qū)動器上，并通過感應(yīng)式安裝，不改動和破壞機床原有電氣電路；運行機制則是在監(jiān)控模型可下發(fā)到底層硬件中，實現(xiàn)脫離工控機/電腦運行，當觸發(fā)監(jiān)控報警時會輸出信號并自動存儲報警日志；更好的顯示及控制則需增加一工控機顯示面板，采用磁吸式安裝。圖2所示為振動采集板卡安裝位置。

（1）可對加工過程中進行實時監(jiān)測。一是以高速及較低的加速度運動作為檢測信號，速度值可以根據(jù)實際情況進行設(shè)定，通過軟件算法來對加速度值進行識別。二是以機床主軸的震動頻率，來判斷刀具的極限的峰值及特性。

（2）報警方式?，F(xiàn)在有兩種方式可以實現(xiàn)對發(fā)生碰撞后的報警。一是設(shè)置好報警信號或報警閾值后，系統(tǒng)將按設(shè)定的參數(shù)發(fā)送報警信息進行處理，同時發(fā)出警報。二是設(shè)置一組報警閾值（包括時間、距離和速度等），當系統(tǒng)檢測到碰撞的危險信號時會立即識別并發(fā)出預警信息，然后進行處理并自動采取制動措施，使機床處于安全運行狀態(tài)。

（3）故障原因分析。一般發(fā)生碰撞后都存在一些特殊情況需要對其原因進行分析。

（4）預防措施。防止碰撞發(fā)生應(yīng)根據(jù)具體條件及特點合理設(shè)置防撞等級和速度值，保證在一定安全距離內(nèi)無人操作（如緊急停車、緊急停止）、安全制動、及時清除障礙等。如果在高速運行狀態(tài)下遇到危險信號而又不能及時采取措施，將可能發(fā)生嚴重的后果。因此，在高速加工中心系統(tǒng)中設(shè)置碰撞峰值是非常必要的。

（5）智能加工系統(tǒng)驗驗證與結(jié)果分析。

3.2碰撞緩沖模塊

當主軸/刀柄/刀具和工件/夾具發(fā)生突然的碰撞時，碰撞緩沖系統(tǒng)會自動感知碰撞信號，快速地發(fā)出報警信號給機床做急停，從而避免主軸因意外碰撞而損傷/損壞。

當發(fā)生碰撞時，CB系統(tǒng)能在3 ms內(nèi)快速響應(yīng)（圖3），迅速輸出信號給到機床停機。

撞機發(fā)生后，CB系統(tǒng)最大可能的保護主軸不受傷害。圖4所示為主軸精度測量結(jié)果。

3.3刀具磨損/斷刀監(jiān)測案例

某客戶主要產(chǎn)品為連桿、搖臂、球殼拉桿、懸掛、十寧軸、汽車門較鏈、轉(zhuǎn)向節(jié)、半軸突緣、萬向節(jié)叉等。此類型產(chǎn)品為批量零部件，在加工過程中，當?shù)毒呤褂靡欢ù螖?shù)后，出現(xiàn)磨損情況異常頻繁。需要技術(shù)人員時刻查看刀具磨損情況，否則將會出現(xiàn)刀具斷裂情況，導致產(chǎn)品缺陷及報廢。安裝使用吉蘭丁的：刀具磨損和斷刀監(jiān)測模塊。當出現(xiàn)異常和磨損的時候及夠時監(jiān)測到，避免繼續(xù)加工產(chǎn)生廢品，產(chǎn)品合格率及人工成本得到明顯改善。設(shè)備為WINF500加工中心。刀具類型為鉆頭、絲錐。

3.4刀具磨損監(jiān)控（IGT-TCM）

在增加相應(yīng)的傳感部件后，能夠?qū)崟r記錄刀具磨損過程中的信號變化，預防批量不良，降低產(chǎn)品缺陷風險通過設(shè)置刀具的磨損極限，實時監(jiān)測刀具的磨損狀態(tài)，當?shù)毒叩哪p到達極限時，及時給出換刀信號，避免因為刀具提前失效而導致的零件批量性缺陷。并據(jù)此確定最優(yōu)化的換刀時間，使刀具壽命最大化，從而減少產(chǎn)品不良率。

（1）數(shù)控機床智能預警防撞系統(tǒng)能夠在高速運動狀態(tài)下自動識別并檢測到與其它操作設(shè)備或操作人員與其它機床或加工工件發(fā)生碰撞的危險信號，并進行報警及自動制動，以確保安全運行。智能預警防撞系統(tǒng)不僅能及時檢測到碰撞危險信號，還能根據(jù)不同情況進行報警并自動制動，從而避免發(fā)生重大事故。智能預警防撞系統(tǒng)是一種具有自主學習能力的智能化技術(shù)。其核心技術(shù)是智能感知技術(shù)和自動報警技術(shù)。

（2）刀具斷刀監(jiān)控（IGT-IPQC）。實時跟蹤加工過程，當加工中刀具突然折斷，軟件通過過程信號的異常識別，給出報警信號并迅速觸發(fā)機床執(zhí)行相應(yīng)的動作。

（3）加工數(shù)字化展示。絲錐在使用過程中同樣受毛壞影響，實際最高壽命1 049件，最低400件，開啟功能后既可使刀具壽命最大化，又可提前報警，防止因磨損刀具繼續(xù)加工而影響品質(zhì)原刀具設(shè)定安全壽命為600件，平均壽命為702件，比未使用前提升17%。

鉆頭使用壽命受工件軟硬影響較大，實際最高壽命906件，最低420件，開啟功能后既可使刀具壽命最大化，又可提前報警，防止因磨損刀具繼續(xù)加工而影響品質(zhì)原刀具設(shè)定安全壽命600件，平均壽命為633件，比未使用前提升約5.5%。

圖5所示為加工曲線。黑色為正常加工曲線；綠色為異常加工曲線，當出現(xiàn)異常時軟件會自動識別，并給出報警信號，控制機床執(zhí)行相應(yīng)的動作。崩刃現(xiàn)象為綠色曲線數(shù)據(jù)突然升高，超出紅色邊界后報瞥。制造良率提升，機床空運轉(zhuǎn)時間消除，綜合成本降低29%，最終實現(xiàn)刀具壽命均提升至180%。

4結(jié)束語

在工業(yè)制造過程中，有很多因素都會導致出現(xiàn)安全事故。當出現(xiàn)安全事件時會影響到正常的生產(chǎn)，造成產(chǎn)品質(zhì)量下降。數(shù)控機床的智能預警監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測報警，當有突發(fā)事件發(fā)生時，及時發(fā)出警告信息，避免事故的發(fā)生，為保障企業(yè)的正常生產(chǎn)秩序提供了重要保障。刀具磨損監(jiān)控模塊還能夠用于刀具性能評估提供決策依據(jù)通過刀具磨損監(jiān)控系統(tǒng)采集到的實時加工數(shù)據(jù)進行對比分析，測試刀具的切削性能和磨損特性。智能預警防監(jiān)測系統(tǒng)能對機床異常情況進行檢測和識別并發(fā)出報警信息，為數(shù)控加工過程中的風險點提供預警提示功能。

智能預警監(jiān)測技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對異常狀態(tài)或危險信息的識別、報警、定位以及對事故狀態(tài)進行評估和管理。目前該方案技術(shù)已在我國機床行業(yè)逐步應(yīng)用應(yīng)用。

本文主要是基于智能預警監(jiān)測技術(shù)的部分功能在實際應(yīng)用中取得的成果進行總結(jié)和探討。我們相信在國家相關(guān)政策的支持下，一定會有更多關(guān)于數(shù)控機床智能預警防碰撞技術(shù)方面的新方案出現(xiàn)，并將其更好地推廣應(yīng)用。

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第一作者簡介：陳斯?jié)崳?991-），女，廣東陸豐人，大學本科，研究領(lǐng)域為數(shù)控多軸裝備、3D打印設(shè)備、自動化等。

（編輯：刁少華）