刀具狀態(tài)監(jiān)控技術在數(shù)控銑削加工中的應用--以 ARTIS 刀具監(jiān)控系統(tǒng)為例
2024-9-18 來源：貴州航空工業(yè)技師學院 作者：周 嫄
摘要：在數(shù)控銑削加工過程中，刀具會隨著使用頻次的增加以及時間的延長而出現(xiàn)磨損和斷裂的問題，這會導致零件的加工精度逐漸降低，容易導致零件出現(xiàn)質(zhì)量問題，也會對機床產(chǎn)生損壞等不良影響。因此，重視對刀具狀態(tài)的監(jiān)測對于提升銑削加工效果與質(zhì)量非常重要。文章主要對刀具狀態(tài)監(jiān)控技術展開研究，概述了刀具狀態(tài)監(jiān)控技術的發(fā)展現(xiàn)狀、實現(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)控技術在數(shù)控銑削加工中的應用，并對該技術的發(fā)展前景進行了展望，以期推動數(shù)控銑削加工的效率與質(zhì)量的雙向提升。
關鍵詞：刀具狀態(tài)監(jiān)控技術；ARTIS 刀具監(jiān)控系統(tǒng)；數(shù)控銑削加工；傳感器
由于我國的航空結構件等零件的復雜程度較高，而汽車等行業(yè)零件的復雜程度相對較低，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、振動等信息和經(jīng)驗來進行判斷，而在這種刀具監(jiān)控狀態(tài)下需要投入大量的人力，同時刀具狀態(tài)監(jiān)控的準確性會受到人為因素的影響。隨著時代的進步、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)控也要逐漸向自動化、無人化的方向發(fā)展，逐步實現(xiàn)刀具的自動監(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)控技術概述
1.1 刀具狀態(tài)監(jiān)控技術的發(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)，運用科學、恰當?shù)目刂评碚摗鞲屑夹g、切削技術以及計算機處理技術等，能夠提升數(shù)控機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)，也能夠對系統(tǒng)加工狀態(tài)進行學習和記錄，并對機床及控制系統(tǒng)發(fā)送指令進行操作，這些技術的應用效果非常顯著 [1]。
1.2 刀具狀態(tài)監(jiān)控技術的實現(xiàn)原理
在監(jiān)控刀具狀態(tài)時，其監(jiān)控原理主要以采集、評價加工系統(tǒng)信號為主。在采集系統(tǒng)信號時，傳感器是主要的途徑與手段，通過制定科學、有效的適應策略來對加工信號進行評價。同時傳感器的靈敏度、分辨率等指標會對刀具監(jiān)控效果產(chǎn)生直接性的影響。傳感器在獲得原始信號后需要進行濾波、調(diào)節(jié)與轉化成數(shù)字信號，將刀具狀態(tài)與數(shù)字信號進行關聯(lián)，從而實現(xiàn)刀具狀態(tài)的監(jiān)控。
1.3 刀具狀態(tài)監(jiān)控技術的監(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價、模式識別、分段閾值、固定閾值。
（1）刀具壽命評價主要通過構建振動、力等參數(shù)和刀具壽命關系模型，采集刀具加工過程中振動、力等信號來對刀具壽命進行評估，從而實現(xiàn)監(jiān)控加工過程的目標。
（2）模式識別是實現(xiàn)刀具狀態(tài)監(jiān)控的重要功能之一，通過構建數(shù)據(jù)庫，將異常加工狀態(tài)信號進行收集、整理、對比與分析，能夠有效發(fā)揮出模式識別的監(jiān)控效果，實現(xiàn)監(jiān)控目標。
（3）分段閾值主要是對加工過程進行分段分析，結合單個加工周期刀具路徑以及復雜多變的加工參數(shù)，將所采集的信號和相對應分段閾值予以比較和分析，最終實現(xiàn)對加工系統(tǒng)監(jiān)控的目標。
（4）固定閾值的功能主要采集加工系統(tǒng)的原始信號，結合初始信號的采集情況來對固定閾值予以設置和調(diào)整，經(jīng)過信號與閾值的對比與分析，借助固定閾值更易于實現(xiàn)刀具加工狀態(tài)監(jiān)控目標。
當前，常用的刀具狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)主要有過載保護系統(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)化應用效果較為顯著 [2]。
2、刀具狀態(tài)監(jiān)控技術在數(shù)控銑削加工中的應用—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，能夠對數(shù)控銑削加工提供有效的保障，對于提升加工效率與加工質(zhì)量非常有利。文章主要對常用的 ARTIS 刀具監(jiān)控系統(tǒng)進行研究與分析，通過對其構成以及應用展開分析，能夠對刀具狀態(tài)實施優(yōu)化監(jiān)控，對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)的構成
2.1.1 信號監(jiān)測系統(tǒng)
信號監(jiān)測系統(tǒng)能夠對多種信號進行處理，如 VG4、 CFM-4、KU4、MU4、DTA 等 信 號。 其 中，VG4 信 號主要在振蕩監(jiān)測傳感器系統(tǒng)中使用；CFM-4 信號主要在采集力信號的監(jiān)測傳感器系統(tǒng)中使用；KU4 信號主要在采集結構傳播噪聲信號的監(jiān)測傳感器系統(tǒng)中使用；MU4 信號主要在采集功率信號監(jiān)測傳感器系統(tǒng)中使用；DTA 信號主要用于采集數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)的信號 [3]。
2.1.2 過程監(jiān)測系統(tǒng)
過程監(jiān)測系統(tǒng)（CTM）是 ARTIS 刀具監(jiān)控系統(tǒng)的主要硬件之一。在監(jiān)控刀具應用狀態(tài)時，過程監(jiān)測系統(tǒng)能夠對傳感器收集的所有信號予以處理，而后再將處理后的信號傳輸給機床進行操作和加工。在應用過程監(jiān)測系統(tǒng)時，每個監(jiān)測系統(tǒng)都有最大的檢測量，一般不超過 8 個軸，如果超過 8 個軸，需要擴展過程監(jiān)測系統(tǒng)，這樣才能夠保證滿足刀具狀態(tài)監(jiān)測的需求。
一般情況下，ARTIS 都含有一個 CTMVISU 接口軟件，該軟件能夠實現(xiàn)各類連接設置，也能夠設置零件加工的監(jiān)控參數(shù)，通過 PLV 信號即可控制機床，如遇故障能夠發(fā)出報警和提示 [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、工作臺受力監(jiān)控、刀具受力和扭矩監(jiān)控、刀具位移監(jiān)測、多軸監(jiān)控、實際功率監(jiān)測、冷卻液監(jiān)控、聲發(fā)射監(jiān)控以及振動監(jiān)測等。碰撞監(jiān)測利用三向加速度傳感器對數(shù)控機床的銑削工作臺進行實時監(jiān)測，以檢測刀具、夾具和工件之間是否發(fā)生碰撞，響應速度非常快，能夠達到毫秒級別的精度。工作臺受力的方向和大小的監(jiān)測通過工作臺受力監(jiān)控實現(xiàn)，這對于監(jiān)測的準確性具有直接影響。對于易損、易磨損的刀具以及加工接觸區(qū)域較大的工件，采用扭矩信號監(jiān)測可以實現(xiàn)對其進行監(jiān)測。采用高精度、高轉速加工時，主軸在高速旋轉后由于熱膨脹可能會發(fā)生位移，因此可以采用非接觸式測量方法來監(jiān)測刀具的位移情況。
同時，為了可靠地監(jiān)測刀具的故障、磨損等加工缺陷，需要進行多軸監(jiān)控。為了拓展刀具狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的應用范圍，可以使用霍爾傳感器對數(shù)控機床的銑削加工實際功率進行監(jiān)測，從而擴大其應用范圍 [5]。
在數(shù)控機床銑削加工過程中，切削的雜質(zhì)如果混入到冷卻液中，會導致冷卻液壓力出現(xiàn)下降，這會對數(shù)控機床銑削加工產(chǎn)生不良影響。通過在線監(jiān)測冷卻循環(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，振動傳感器、聲發(fā)射傳感器的監(jiān)測也都非常重要。目前，現(xiàn)代加工的主軸轉速較快，刀具容易出現(xiàn)失衡的問題，這會導致刀具壽命和主軸壽命縮短，加工質(zhì)量降低，如果將振動傳感器安裝到機床主軸上，可以通過振動信號來監(jiān)測刀具狀態(tài)。
通過將聲發(fā)射傳感器安裝到數(shù)控機床主軸上，可以通過對加工過程中寬波帶信號、高頻信號等進行采集，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)的應用
在數(shù)控銑削過程中，要想高效地實現(xiàn)數(shù)控編程，就需要對所有的零件進行有效識別，識別零件后才能夠運用相應指令進行調(diào)用。在數(shù)控前置程序中插入指令并寫入刀具信息，在后置處理時可以生成相應的監(jiān)控指令。將 ARTIS 刀具監(jiān)控系統(tǒng)應用到數(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)的切削振動監(jiān)測和加工表面質(zhì)量觀察等加工工藝參數(shù)有效結合和運用，可以客觀判斷預評價刀具的加工參數(shù)能夠對刀具的加工狀態(tài)進行監(jiān)督，通過運用刀具監(jiān)控系統(tǒng)的學習功能來對數(shù)控機床的加工狀態(tài)參數(shù)進行調(diào)整和優(yōu)化，使得數(shù)控機床的工作效果更好，機床運行狀態(tài)更加穩(wěn)定和高效。ARTIS 刀具監(jiān)控系統(tǒng)能夠在標準狀態(tài)下以及過程狀態(tài)下對零件等的加工情況進行實時監(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)應用到航空制造中時，鑒于飛機結構的復雜性，其零部件也非常多，那么飛機所有零件的加工標準、精度與要求也相對較高，在加工時候也會遇到許多不可預見的問題。如果遇到非常復雜的零件結構時，那么不能夠單一地運用一組監(jiān)控數(shù)據(jù)來確定零件的性質(zhì)，這會導致刀具狀態(tài)監(jiān)控的結果不精準，并會大幅降低監(jiān)控系統(tǒng)的科學性。針對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)控精準度和針對性都較低，很難實現(xiàn)刀具狀態(tài)監(jiān)控的目標。因此，在設置監(jiān)控參數(shù)時，需要結合零件的差異化特征制定不同的加工方案，并設計相應的監(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)揮其最佳作用和價值 [7]。為了能夠對上述問題進行更好地優(yōu)化與解決，刀具狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)要結合零件結構的實際特征，運用不同類別的監(jiān)控方案或者方法，通過對不同加工方案的學習與積累，在監(jiān)控刀具狀態(tài)時能夠更加游刃有余、靈活多變。
在運用 ARTIS 系統(tǒng)進行數(shù)控銑削加工時，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)，結合不同刀具、不同特征和不同加工模式來進行加工參數(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、正確地處理 ARTIS 系統(tǒng)的監(jiān)控報警，以提升數(shù)控銑削加工的實效性、科學性和質(zhì)量水平的智能化 [8]。
3、刀具狀態(tài)監(jiān)控技術的發(fā)展方向
3.1 傳感器進一步優(yōu)化
在數(shù)控銑削加工過程中，刀具狀態(tài)監(jiān)控技術的應用是一個關鍵領域。通常，各類有線的傳感器會被固定到機械加工機床的主軸、工作臺以及工件的表面上，這些有線的傳感器主要用于采集與感知設備信號。如超聲波傳感器、測力儀以及加速度傳感器等，這些有線的傳感器在信號的采集過程中，由于安裝位置與信號采集區(qū)域的距離相對較遠，不利于信號采集效率的提高，因此，在當今乃至未來的機械加工領域中，有線的傳感器會逐漸被淘汰，而內(nèi)嵌傳感器到刀具或刀柄上是未來研究的重要方向。一旦成功研究并應用，將具有顯著的應用價值，能夠實現(xiàn)更理想的刀具狀態(tài)監(jiān)控效果 [9]。
3.2 應用機器視覺技術
隨著時代的進步和科技的發(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。機器視覺技術是推動制造業(yè)快速向智能化轉變的重要技術和工具，通過對刀具幾何參數(shù)的監(jiān)測，對刀具磨損情況、程度以及應用狀態(tài)的監(jiān)測與反饋，能夠更好地規(guī)避傳統(tǒng)監(jiān)測技術耗時長、誤差大等問題。如果積極研究和利用機器視覺技術，可以通過非接觸方式檢測刀具的幾何參數(shù)來提高系統(tǒng)的效率和精度，對于提升效果非常有利。
當前，加工工件的紋理會受到刀具磨損度、加工方式的直接影響，同時工件的切屑形態(tài)也會受到不同程度的影響。因此，在應用機器視覺技術來監(jiān)測刀具狀態(tài)方面，仍然需要重點研究和關注刀具磨損和破損的檢測。這是推動數(shù)控銑削加工效果和水平雙向提升的重要技術，值得進一步研究和實踐 [10]。
4、結束語
綜上所述，刀具的磨損程度、應用狀態(tài)等都會對數(shù)控銑削加工的結果產(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)控技術的應用非常必要且迫切。因此，做好刀具狀態(tài)監(jiān)控技術的研究與科學應用，科學、恰當?shù)貞玫綌?shù)控銑削加工過程中，對于提升制造業(yè)的發(fā)展水平非常有利。
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