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刀具狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)在數(shù)控銑削加工中的應(yīng)用--以 ARTIS 刀具監(jiān)控系統(tǒng)為例

2024-9-18 來源：貴州航空工業(yè)技師學(xué)院作者：周嫄

摘要：在數(shù)控銑削加工過程中，刀具會(huì)隨著使用頻次的增加以及時(shí)間的延長(zhǎng)而出現(xiàn)磨損和斷裂的問題，這會(huì)導(dǎo)致零件的加工精度逐漸降低，容易導(dǎo)致零件出現(xiàn)質(zhì)量問題，也會(huì)對(duì)機(jī)床產(chǎn)生損壞等不良影響。因此，重視對(duì)刀具狀態(tài)的監(jiān)測(cè)對(duì)于提升銑削加工效果與質(zhì)量非常重要。文章主要對(duì)刀具狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)展開研究，概述了刀具狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、實(shí)現(xiàn)原理和監(jiān)控策略，以 ARTIS 刀具監(jiān)控系統(tǒng)為例，分析了刀具狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)在數(shù)控銑削加工中的應(yīng)用，并對(duì)該技術(shù)的發(fā)展前景進(jìn)行了展望，以期推動(dòng)數(shù)控銑削加工的效率與質(zhì)量的雙向提升。

關(guān)鍵詞：刀具狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)；ARTIS 刀具監(jiān)控系統(tǒng)；數(shù)控銑削加工；傳感器

由于我國的航空結(jié)構(gòu)件等零件的復(fù)雜程度較高，而汽車等行業(yè)零件的復(fù)雜程度相對(duì)較低，在銑削加工過程中，在監(jiān)控刀具狀態(tài)上主要是操作員根據(jù)聲音、振動(dòng)等信息和經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行判斷，而在這種刀具監(jiān)控狀態(tài)下需要投入大量的人力，同時(shí)刀具狀態(tài)監(jiān)控的準(zhǔn)確性會(huì)受到人為因素的影響。隨著時(shí)代的進(jìn)步、科技的發(fā)展，數(shù)控銑削加工逐漸向現(xiàn)代化、智能化的方向發(fā)展，那么刀具狀態(tài)的監(jiān)控也要逐漸向自動(dòng)化、無人化的方向發(fā)展，逐步實(shí)現(xiàn)刀具的自動(dòng)監(jiān)控狀態(tài)，這樣能夠節(jié)省大量的人力，并在一定程度上能夠更好地提升刀具狀態(tài)監(jiān)控的精確性。

1、刀具狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)概述

1.1 刀具狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，在零部件等的生產(chǎn)、加工過程中，為了能夠提升加工效率、降低加工成本，重視刀具的選擇與狀態(tài)的監(jiān)控非常重要。為了能夠保障刀具發(fā)揮更好的狀態(tài)，運(yùn)用科學(xué)、恰當(dāng)?shù)目刂评碚?、傳感技術(shù)、切削技術(shù)以及計(jì)算機(jī)處理技術(shù)等，能夠提升數(shù)控機(jī)床的信息化與智能化水平，其是零件加工水平提升必不可少的技術(shù)和內(nèi)容。目前，國外在刀具監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)方面，已經(jīng)推行出 OMATIVE、ARTIS 等系統(tǒng)，這些系統(tǒng)既能夠監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，也能夠?qū)ο到y(tǒng)加工狀態(tài)進(jìn)行學(xué)習(xí)和記錄，并對(duì)機(jī)床及控制系統(tǒng)發(fā)送指令進(jìn)行操作，這些技術(shù)的應(yīng)用效果非常顯著 [1]。

1.2 刀具狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理

在監(jiān)控刀具狀態(tài)時(shí)，其監(jiān)控原理主要以采集、評(píng)價(jià)加工系統(tǒng)信號(hào)為主。在采集系統(tǒng)信號(hào)時(shí)，傳感器是主要的途徑與手段，通過制定科學(xué)、有效的適應(yīng)策略來對(duì)加工信號(hào)進(jìn)行評(píng)價(jià)。同時(shí)傳感器的靈敏度、分辨率等指標(biāo)會(huì)對(duì)刀具監(jiān)控效果產(chǎn)生直接性的影響。傳感器在獲得原始信號(hào)后需要進(jìn)行濾波、調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，將刀具狀態(tài)與數(shù)字信號(hào)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)刀具狀態(tài)的監(jiān)控。

1.3 刀具狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)的監(jiān)控功能

按照刀具狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)軟、硬件以及加工工藝條件的不同，將監(jiān)控功能分為刀具壽命評(píng)價(jià)、模式識(shí)別、分段閾值、固定閾值。

（1）刀具壽命評(píng)價(jià)主要通過構(gòu)建振動(dòng)、力等參數(shù)和刀具壽命關(guān)系模型，采集刀具加工過程中振動(dòng)、力等信號(hào)來對(duì)刀具壽命進(jìn)行評(píng)估，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)控加工過程的目標(biāo)。

（2）模式識(shí)別是實(shí)現(xiàn)刀具狀態(tài)監(jiān)控的重要功能之一，通過構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，將異常加工狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行收集、整理、對(duì)比與分析，能夠有效發(fā)揮出模式識(shí)別的監(jiān)控效果，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控目標(biāo)。

（3）分段閾值主要是對(duì)加工過程進(jìn)行分段分析，結(jié)合單個(gè)加工周期刀具路徑以及復(fù)雜多變的加工參數(shù)，將所采集的信號(hào)和相對(duì)應(yīng)分段閾值予以比較和分析，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)加工系統(tǒng)監(jiān)控的目標(biāo)。

（4）固定閾值的功能主要采集加工系統(tǒng)的原始信號(hào)，結(jié)合初始信號(hào)的采集情況來對(duì)固定閾值予以設(shè)置和調(diào)整，經(jīng)過信號(hào)與閾值的對(duì)比與分析，借助固定閾值更易于實(shí)現(xiàn)刀具加工狀態(tài)監(jiān)控目標(biāo)。

當(dāng)前，常用的刀具狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)主要有過載保護(hù)系統(tǒng)、集成刀具監(jiān)控系統(tǒng)以及 ARTIS 刀具監(jiān)控系統(tǒng)等，而應(yīng)用最普遍的刀具狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)是 ARTIS 刀具監(jiān)控系統(tǒng)，其商業(yè)化應(yīng)用效果較為顯著 [2]。

2、刀具狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)在數(shù)控銑削加工中的應(yīng)用—以 ARTIS 刀具監(jiān)控系統(tǒng)為例

在數(shù)控銑削加工過程中，做好刀具狀態(tài)的監(jiān)控工作，能夠減少不必要的變故和損失，能夠?qū)?shù)控銑削加工提供有效的保障，對(duì)于提升加工效率與加工質(zhì)量非常有利。文章主要對(duì)常用的 ARTIS 刀具監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行研究與分析，通過對(duì)其構(gòu)成以及應(yīng)用展開分析，能夠?qū)Φ毒郀顟B(tài)實(shí)施優(yōu)化監(jiān)控，對(duì)于提升刀具使用效果和加工質(zhì)量較為有利。

2.1 ARTIS 刀具監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成

2.1.1 信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)Χ喾N信號(hào)進(jìn)行處理，如 VG4、 CFM-4、KU4、MU4、DTA 等信號(hào)。其中，VG4 信號(hào)主要在振蕩監(jiān)測(cè)傳感器系統(tǒng)中使用；CFM-4 信號(hào)主要在采集力信號(hào)的監(jiān)測(cè)傳感器系統(tǒng)中使用；KU4 信號(hào)主要在采集結(jié)構(gòu)傳播噪聲信號(hào)的監(jiān)測(cè)傳感器系統(tǒng)中使用；MU4 信號(hào)主要在采集功率信號(hào)監(jiān)測(cè)傳感器系統(tǒng)中使用；DTA 信號(hào)主要用于采集數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)的信號(hào) [3]。

2.1.2 過程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

過程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CTM）是 ARTIS 刀具監(jiān)控系統(tǒng)的主要硬件之一。在監(jiān)控刀具應(yīng)用狀態(tài)時(shí)，過程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)鞲衅魇占乃行盘?hào)予以處理，而后再將處理后的信號(hào)傳輸給機(jī)床進(jìn)行操作和加工。在應(yīng)用過程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，每個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都有最大的檢測(cè)量，一般不超過 8 個(gè)軸，如果超過 8 個(gè)軸，需要擴(kuò)展過程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這樣才能夠保證滿足刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)的需求。

一般情況下，ARTIS 都含有一個(gè) CTMVISU 接口軟件，該軟件能夠?qū)崿F(xiàn)各類連接設(shè)置，也能夠設(shè)置零件加工的監(jiān)控參數(shù)，通過 PLV 信號(hào)即可控制機(jī)床，如遇故障能夠發(fā)出報(bào)警和提示 [4]。

2.1.3 傳感器

在 ARTIS 刀具監(jiān)控系統(tǒng)中，傳感器的功能和性能涵蓋碰撞檢測(cè)、工作臺(tái)受力監(jiān)控、刀具受力和扭矩監(jiān)控、刀具位移監(jiān)測(cè)、多軸監(jiān)控、實(shí)際功率監(jiān)測(cè)、冷卻液監(jiān)控、聲發(fā)射監(jiān)控以及振動(dòng)監(jiān)測(cè)等。碰撞監(jiān)測(cè)利用三向加速度傳感器對(duì)數(shù)控機(jī)床的銑削工作臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以檢測(cè)刀具、夾具和工件之間是否發(fā)生碰撞，響應(yīng)速度非常快，能夠達(dá)到毫秒級(jí)別的精度。工作臺(tái)受力的方向和大小的監(jiān)測(cè)通過工作臺(tái)受力監(jiān)控實(shí)現(xiàn)，這對(duì)于監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性具有直接影響。對(duì)于易損、易磨損的刀具以及加工接觸區(qū)域較大的工件，采用扭矩信號(hào)監(jiān)測(cè)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)。采用高精度、高轉(zhuǎn)速加工時(shí)，主軸在高速旋轉(zhuǎn)后由于熱膨脹可能會(huì)發(fā)生位移，因此可以采用非接觸式測(cè)量方法來監(jiān)測(cè)刀具的位移情況。

同時(shí)，為了可靠地監(jiān)測(cè)刀具的故障、磨損等加工缺陷，需要進(jìn)行多軸監(jiān)控。為了拓展刀具狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，可以使用霍爾傳感器對(duì)數(shù)控機(jī)床的銑削加工實(shí)際功率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而擴(kuò)大其應(yīng)用范圍 [5]。

在數(shù)控機(jī)床銑削加工過程中，切削的雜質(zhì)如果混入到冷卻液中，會(huì)導(dǎo)致冷卻液壓力出現(xiàn)下降，這會(huì)對(duì)數(shù)控機(jī)床銑削加工產(chǎn)生不良影響。通過在線監(jiān)測(cè)冷卻循環(huán)系統(tǒng)的內(nèi)壓力值，能夠最大化地保障冷卻液功能的正常發(fā)揮。除此之外，振動(dòng)傳感器、聲發(fā)射傳感器的監(jiān)測(cè)也都非常重要。目前，現(xiàn)代加工的主軸轉(zhuǎn)速較快，刀具容易出現(xiàn)失衡的問題，這會(huì)導(dǎo)致刀具壽命和主軸壽命縮短，加工質(zhì)量降低，如果將振動(dòng)傳感器安裝到機(jī)床主軸上，可以通過振動(dòng)信號(hào)來監(jiān)測(cè)刀具狀態(tài)。

通過將聲發(fā)射傳感器安裝到數(shù)控機(jī)床主軸上，可以通過對(duì)加工過程中寬波帶信號(hào)、高頻信號(hào)等進(jìn)行采集，從而有效提升刀具狀態(tài)的監(jiān)控效果 [6]。

2.2 數(shù)控銑削加工中 ARTIS 刀具監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

在數(shù)控銑削過程中，要想高效地實(shí)現(xiàn)數(shù)控編程，就需要對(duì)所有的零件進(jìn)行有效識(shí)別，識(shí)別零件后才能夠運(yùn)用相應(yīng)指令進(jìn)行調(diào)用。在數(shù)控前置程序中插入指令并寫入刀具信息，在后置處理時(shí)可以生成相應(yīng)的監(jiān)控指令。將 ARTIS 刀具監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用到數(shù)控銑削加工過程中，ARTIS 系統(tǒng)可以優(yōu)化加工工藝參數(shù)，是一種非常有效的工具。將 ARTIS 系統(tǒng)與傳統(tǒng)的切削振動(dòng)監(jiān)測(cè)和加工表面質(zhì)量觀察等加工工藝參數(shù)有效結(jié)合和運(yùn)用，可以客觀判斷預(yù)評(píng)價(jià)刀具的加工參數(shù)能夠?qū)Φ毒叩募庸顟B(tài)進(jìn)行監(jiān)督，通過運(yùn)用刀具監(jiān)控系統(tǒng)的學(xué)習(xí)功能來對(duì)數(shù)控機(jī)床的加工狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，使得數(shù)控機(jī)床的工作效果更好，機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)更加穩(wěn)定和高效。ARTIS 刀具監(jiān)控系統(tǒng)能夠在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下以及過程狀態(tài)下對(duì)零件等的加工情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，有利于提升各類零件加工有效性。

例如，在將刀具狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用到航空制造中時(shí)，鑒于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，其零部件也非常多，那么飛機(jī)所有零件的加工標(biāo)準(zhǔn)、精度與要求也相對(duì)較高，在加工時(shí)候也會(huì)遇到許多不可預(yù)見的問題。如果遇到非常復(fù)雜的零件結(jié)構(gòu)時(shí)，那么不能夠單一地運(yùn)用一組監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)來確定零件的性質(zhì)，這會(huì)導(dǎo)致刀具狀態(tài)監(jiān)控的結(jié)果不精準(zhǔn)，并會(huì)大幅降低監(jiān)控系統(tǒng)的科學(xué)性。針對(duì)不同零件的加工過程，在監(jiān)控過程中如果使用一組統(tǒng)一的參數(shù)來監(jiān)控，監(jiān)控精準(zhǔn)度和針對(duì)性都較低，很難實(shí)現(xiàn)刀具狀態(tài)監(jiān)控的目標(biāo)。因此，在設(shè)置監(jiān)控參數(shù)時(shí)，需要結(jié)合零件的差異化特征制定不同的加工方案，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的監(jiān)控參數(shù)，以提升數(shù)控銑削加工零件的效果，并確保刀具發(fā)揮其最佳作用和價(jià)值 [7]。為了能夠?qū)ι鲜鰡栴}進(jìn)行更好地優(yōu)化與解決，刀具狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)要結(jié)合零件結(jié)構(gòu)的實(shí)際特征，運(yùn)用不同類別的監(jiān)控方案或者方法，通過對(duì)不同加工方案的學(xué)習(xí)與積累，在監(jiān)控刀具狀態(tài)時(shí)能夠更加游刃有余、靈活多變。

在運(yùn)用 ARTIS 系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控銑削加工時(shí)，為了獲得合適的加工監(jiān)控參數(shù)，需要基于大量數(shù)據(jù)，結(jié)合不同刀具、不同特征和不同加工模式來進(jìn)行加工參數(shù)調(diào)整，操作人員也需要全面了解和掌握作業(yè)規(guī)范，保證能夠及時(shí)、正確地處理 ARTIS 系統(tǒng)的監(jiān)控報(bào)警，以提升數(shù)控銑削加工的實(shí)效性、科學(xué)性和質(zhì)量水平的智能化 [8]。

3、刀具狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展方向

3.1 傳感器進(jìn)一步優(yōu)化

在數(shù)控銑削加工過程中，刀具狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用是一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域。通常，各類有線的傳感器會(huì)被固定到機(jī)械加工機(jī)床的主軸、工作臺(tái)以及工件的表面上，這些有線的傳感器主要用于采集與感知設(shè)備信號(hào)。如超聲波傳感器、測(cè)力儀以及加速度傳感器等，這些有線的傳感器在信號(hào)的采集過程中，由于安裝位置與信號(hào)采集區(qū)域的距離相對(duì)較遠(yuǎn)，不利于信號(hào)采集效率的提高，因此，在當(dāng)今乃至未來的機(jī)械加工領(lǐng)域中，有線的傳感器會(huì)逐漸被淘汰，而內(nèi)嵌傳感器到刀具或刀柄上是未來研究的重要方向。一旦成功研究并應(yīng)用，將具有顯著的應(yīng)用價(jià)值，能夠?qū)崿F(xiàn)更理想的刀具狀態(tài)監(jiān)控效果 [9]。

3.2 應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)

隨著時(shí)代的進(jìn)步和科技的發(fā)展，制造業(yè)正逐漸向更智能、更柔性、更精密和更高速的方向發(fā)展和演變。機(jī)器視覺技術(shù)是推動(dòng)制造業(yè)快速向智能化轉(zhuǎn)變的重要技術(shù)和工具，通過對(duì)刀具幾何參數(shù)的監(jiān)測(cè)，對(duì)刀具磨損情況、程度以及應(yīng)用狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與反饋，能夠更好地規(guī)避傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)耗時(shí)長(zhǎng)、誤差大等問題。如果積極研究和利用機(jī)器視覺技術(shù)，可以通過非接觸方式檢測(cè)刀具的幾何參數(shù)來提高系統(tǒng)的效率和精度，對(duì)于提升效果非常有利。

當(dāng)前，加工工件的紋理會(huì)受到刀具磨損度、加工方式的直接影響，同時(shí)工件的切屑形態(tài)也會(huì)受到不同程度的影響。因此，在應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)來監(jiān)測(cè)刀具狀態(tài)方面，仍然需要重點(diǎn)研究和關(guān)注刀具磨損和破損的檢測(cè)。這是推動(dòng)數(shù)控銑削加工效果和水平雙向提升的重要技術(shù)，值得進(jìn)一步研究和實(shí)踐 [10]。

4、結(jié)束語

綜上所述，刀具的磨損程度、應(yīng)用狀態(tài)等都會(huì)對(duì)數(shù)控銑削加工的結(jié)果產(chǎn)生直接性影響，為了能夠有效提升數(shù)控銑削加工效率與質(zhì)量，重視刀具狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用非常必要且迫切。因此，做好刀具狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)的研究與科學(xué)應(yīng)用，科學(xué)、恰當(dāng)?shù)貞?yīng)用到數(shù)控銑削加工過程中，對(duì)于提升制造業(yè)的發(fā)展水平非常有利。

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