高速切削刀具的數字化改造

曹帥

摘 要：高速切削是一項先進的制造技術，它主要是通過對刀具工作狀態（包括溫度和振動）的實時監測和基于二維碼的車間數字化工程對刀具進行管理和信息收集，從而做到高品質、高效率生產。

關鍵詞：高速切削；監測；數字化；改造

中圖分類號：TG71 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）17-0120-02

1 高速切削刀具的發展與研究

1.1 高速切削的發展現狀

高速切削技術被公認為是源自Carl. Salomon的觀點：當切削速度增大到某一數值時，隨著切削速度的增加，切削溫度反而下降。但是，學者們對這一變化規律一直存有爭議，許多學者都對此進行了大量的實驗和探討，有著不同的觀點：一種觀點認為Salomon曲線是存在的，并且在一些輕金屬的加工過程中得到了證明；另一種觀點認為，切削溫度隨著切削速度的提高而不斷升高，直至達到工件材料的熔點。

無論哪種觀點正確，當前生產的價值追求就是：在盡量大的切削速度下，刀具溫度未達材料耐熱極限時，進行可靠、穩定的高速切削工作。但是，在加工過程中還存在一些問題。為了保障工作人員的安全，機床普遍采用全封閉式安全門罩和高強度材料制成的觀察窗，工作人員無法實時獲取刀具的切削狀態。

1.2 課題研究依據

1.2.1 工件材料的性能

刀具熱性能是高速切削效率的重要指標之一，每種刀具工件材料都有其特定的加工范圍，不同材料的刀具切削加工同一種工件材料時的磨損形態和壽命有很大的不同。在實際應用中，刀具必須在其材料耐熱溫度范圍內進行切削加工。高速切削刀具發生很小的位移就會對工件精度造成很大的影響，而振動產生的位移影響在實際生產中尤為普遍。刀具的耐熱性和振動極值一般都是由刀具生產廠家提供的。

1.2.2 傳感器技術

本文利用傳感器實時獲取刀具的性能數據，監測模塊使用熱電偶傳感器和激光測振儀。熱電偶傳感器直接測量刀具的溫度，把溫度信號轉換成熱電動勢信號，通過電氣儀表轉換成被測介質的溫度；激光測振儀是利用光學普遍的折射、反射效應，把發射的激光束作為光源，對細微的振動位移進行點測，然后處理數據并反饋。

1.2.3 數字化技術

數字化改造的第一步是將有關刀具的基本信息轉化、保存在二維碼中，便于管理網絡的實時監控。利用數字化技術建立包括刀具的技術信息、應用信息和管理信息等內容完整、準確的數據庫，使刀具在生產線上實現網絡化管理，實現刀具與管理網絡的交互聯系、動態追蹤和實時反應與控制。

車間數字化工程的終端就是調度室，調度室收集和匯總刀具的實時狀態并進行處置。其中，包括遠程控制機床運行、發送警告至負責人，發送刀具情況到后勤部門，并對刀具進行補充和采購。

2 系統分析設計

該設備的系統結構分為三層：設備層、控制層、管理層。設備層主要是為了實現刀具運行狀態的監測，完成對刀具切削的監控和數據采集，由各種傳感器等組成；控制層的主要功能是通過計算機處置刀具，由帶有以太網接口的PLC組成，以太網交換機與計算機聯網，向計算機傳送刀具狀態數據，數據經

過轉換后傳給管理層的計算機；管理層接入調度室，主要由計算機組成，提供集中管理功能，可以實現監控刀具的運行工況、故障報警、數據統計和上報情況等操作。

2.1 刀具監測模塊設計

根據設計要求建立如圖1所示的刀具監測模塊圖。

圖1 刀具監測模塊圖

二維碼識別模塊：實現二維碼信息掃描、識別的功能，使用西門子SIMATIC MV440固定式二維碼讀碼器。該設備主要用于環境惡劣的工業應用條件下的工件讀碼。

溫度監測模塊：在刀具端對刀具頭進行測溫的模塊。使用B型熱電偶傳感器元件完成溫度測量功能，該型元件耐溫達2 800℃，熱電性質穩定，制造工藝簡單，價格較低。

振動監測模塊：振動的位移監測根據刀具中心（或基準點）距工件中心（或基準點）的距離變化使用非接觸式電渦流傳感器進行檢查。該元件有工作范圍大、靈敏度高和非接觸式測量等優點。

2.2 系統軟件組成

系統軟件主要包括機床主控制程序和輔助管理程序。

機床主控制程序是用來實現機床運行等功能的。在執行主控制程序時，先進行系統模塊連接檢查，如果該模塊出現問題，則運行結束。檢測正常后，啟動識別設備設置溫度和振動限值，運行傳感器，開始監測刀具的切削狀態，一旦檢測到異常，則要立刻停車。

輔助管理程序是用來匯總信息、處理和上報相關信息的。當傳感器監測到異常情況時，輔助管理程序開始運行，將情況通報至調度室，由調度室完成后續的工作。程序流程如圖2所示。

圖2 輔助管理程序流程圖

3 系統功能的實現

3.1 激光打標

目前，使用較為廣泛的標識技術有兩種：①標簽掛載。這

種技術不利于刀具的使用，且標簽易損壞、丟失。②型號刻錄。這種技術應用得最多，但是標識容易被污蝕。

激光打標技術是新型的錄入技術，激光打標不用接觸物體表面即可打印，不會對刀具造成損害，不會對刀具的切削性能產生影響，具有成本低和使用壽命長等優點。

3.2 熱電偶傳感器

在熱電偶回路中接入電位計E，只要保證電位計與連接熱電偶處的接點溫度相等，就不會影響回路中原來的熱電勢，原理如圖3所示。

3.3 激光測振儀

激光測振儀是基于光學干涉原理設計的，它采用非接觸式測量技術，可以實時測量刀具振動的位移量，分辨率、精度很高，工作原理如圖4所示。

圖3 熱電偶傳感器原理圖 圖4 激光測振儀系統示意圖

4 車間數字化

4.1 刀具入庫

先將刀具信息錄入系統，在刀具損壞后，可以及時提供生產所需的刀具。這樣做可以提高企業的經濟效益，縮短生產準備周期。

4.2 刀具查詢

調度室可以實時查詢每臺正在切削的機床刀具的運行狀態，從統計的大量數據中可以獲取最優刀具切削組合方案，提高刀具的利用率，延長刀具的使用壽命，降低生產成本。

二維碼不僅可以由機床設備讀取，工作人員也可以通過二維碼識別設備（比如手機）獲取刀具信息，這對工作人員進行設備安裝和調試刀具有一定的幫助。

4.3 刀具報廢

對于異常運行的刀具來說，接到警告的負責人要對刀具壽命進行全方面的檢測，對其重要尺寸、精度和角度進行維護和修復，延長其使用壽命。如果修整后的刀具還能繼續切削，則將該刀具錄入系統，這樣后勤部能實時獲取信息并減少采購計劃；對于檢測后精度和切削不達標且無法修整的刀具，要及時進行報廢處理。

4.4 刀具采購

后勤部根據調度室的數據匯總制訂采購計劃，合理調整生產資源，以保證生產的順利進行。

5 結束語

針對高速切削刀具的使用特點和研究現狀進行分析，并結合車間對刀具的管理要求，對刀具的運行狀態進行智能化監控，在提高高速切削穩定性方面獲得了較大的進步。結合二維碼信息采集技術，設計、開發了高速切削的數字化改造系統，以適應企業集成化和資源化的需求，降低了生產成本，提高了企業競爭力。本文中提及的高速切削數字化改造已基本獲得了成功，達到了預期的目標。

〔編輯：白潔〕

Digital Transformation of High-speed Cutting Tools

Cao Shuai

Abstract： High-speed cutting is an advanced manufacturing technology， it is mainly through the tool work status（including temperature and vibration）real-time monitoring and two-dimensional code based workshop on digitization project management and information gathering tool， thereby leading to high quality， high production efficiency.

Key words： high-speed cutting； monitoring； digitization； transformation

4.1 刀具入庫

先將刀具信息錄入系統，在刀具損壞后，可以及時提供生產所需的刀具。這樣做可以提高企業的經濟效益，縮短生產準備周期。

4.2 刀具查詢

調度室可以實時查詢每臺正在切削的機床刀具的運行狀態，從統計的大量數據中可以獲取最優刀具切削組合方案，提高刀具的利用率，延長刀具的使用壽命，降低生產成本。

二維碼不僅可以由機床設備讀取，工作人員也可以通過二維碼識別設備（比如手機）獲取刀具信息，這對工作人員進行設備安裝和調試刀具有一定的幫助。

4.3 刀具報廢

對于異常運行的刀具來說，接到警告的負責人要對刀具壽命進行全方面的檢測，對其重要尺寸、精度和角度進行維護和修復，延長其使用壽命。如果修整后的刀具還能繼續切削，則將該刀具錄入系統，這樣后勤部能實時獲取信息并減少采購計劃；對于檢測后精度和切削不達標且無法修整的刀具，要及時進行報廢處理。

4.4 刀具采購

后勤部根據調度室的數據匯總制訂采購計劃，合理調整生產資源，以保證生產的順利進行。

5 結束語

針對高速切削刀具的使用特點和研究現狀進行分析，并結合車間對刀具的管理要求，對刀具的運行狀態進行智能化監控，在提高高速切削穩定性方面獲得了較大的進步。結合二維碼信息采集技術，設計、開發了高速切削的數字化改造系統，以適應企業集成化和資源化的需求，降低了生產成本，提高了企業競爭力。本文中提及的高速切削數字化改造已基本獲得了成功，達到了預期的目標。

〔編輯：白潔〕

Digital Transformation of High-speed Cutting Tools

Cao Shuai

Abstract： High-speed cutting is an advanced manufacturing technology， it is mainly through the tool work status（including temperature and vibration）real-time monitoring and two-dimensional code based workshop on digitization project management and information gathering tool， thereby leading to high quality， high production efficiency.

Key words： high-speed cutting； monitoring； digitization； transformation

4.1 刀具入庫

先將刀具信息錄入系統，在刀具損壞后，可以及時提供生產所需的刀具。這樣做可以提高企業的經濟效益，縮短生產準備周期。

4.2 刀具查詢

調度室可以實時查詢每臺正在切削的機床刀具的運行狀態，從統計的大量數據中可以獲取最優刀具切削組合方案，提高刀具的利用率，延長刀具的使用壽命，降低生產成本。

二維碼不僅可以由機床設備讀取，工作人員也可以通過二維碼識別設備（比如手機）獲取刀具信息，這對工作人員進行設備安裝和調試刀具有一定的幫助。

4.3 刀具報廢

對于異常運行的刀具來說，接到警告的負責人要對刀具壽命進行全方面的檢測，對其重要尺寸、精度和角度進行維護和修復，延長其使用壽命。如果修整后的刀具還能繼續切削，則將該刀具錄入系統，這樣后勤部能實時獲取信息并減少采購計劃；對于檢測后精度和切削不達標且無法修整的刀具，要及時進行報廢處理。

4.4 刀具采購

后勤部根據調度室的數據匯總制訂采購計劃，合理調整生產資源，以保證生產的順利進行。

5 結束語

針對高速切削刀具的使用特點和研究現狀進行分析，并結合車間對刀具的管理要求，對刀具的運行狀態進行智能化監控，在提高高速切削穩定性方面獲得了較大的進步。結合二維碼信息采集技術，設計、開發了高速切削的數字化改造系統，以適應企業集成化和資源化的需求，降低了生產成本，提高了企業競爭力。本文中提及的高速切削數字化改造已基本獲得了成功，達到了預期的目標。

〔編輯：白潔〕

Digital Transformation of High-speed Cutting Tools

Cao Shuai

Abstract： High-speed cutting is an advanced manufacturing technology， it is mainly through the tool work status（including temperature and vibration）real-time monitoring and two-dimensional code based workshop on digitization project management and information gathering tool， thereby leading to high quality， high production efficiency.

Key words： high-speed cutting； monitoring； digitization； transformation