基于工業4.0的 ToolScope?加工過程監控系統

■高邁特精密刀具有限公司供稿

近年來，互聯網、物聯網等信息技術和信息經濟如火如荼地發展，對傳統制造業形成了巨大的沖擊。工業4.0最早在德國被提出就是為了將通訊技術、虛擬網絡和實體物理網絡相結合，通過分散式增強型控制和去中心的智能化，實現制造業從自動化向智能化的轉變。

目前達成一定共識的是，工業4.0的實現將至少經歷三個發展階段：第一階段是實現工業自動化，第二階段是實現數字化工廠，第三階段是實現智能化制造。

來自德國的高邁特集團基于工業4.0的發展趨勢，同時結合近一百年的切削技術和生產工藝經驗，開發出了可集成在機床設備上的 ToolScope? 加工過程監控系統。

1.第一階段：工業自動化

現代化車間生產在綜合了先進的機床設備、工業機器人、自動測量系統、自動裝夾系統和物料輸送等技術和系統后，能夠按照預先設定的程序和參數進行自動化生產。

但是對于機床加工環節來說，會存在很多影響自動化加工的因素，例如錯誤的程序和操作、錯誤的裝夾、不穩定的工件材料和毛坯質量、不穩定的刀具質量、不合理的工藝參數設定及其他不穩定的加工工況等。除了可能引起工件的尺寸形位精度和表面質量不合格外，加工過程中出現的各種不穩定因素和失誤還可能引起各種異常狀況，比如堵屑、纏屑、振動、崩刃、斷刀、燒刀甚至撞刀，對刀具、工件和機床造成無法挽回的損害，不止會影響自動化生產，還會造成經濟損失和浪費很多輔助時間。

ToolScope加工過程監控系統能從兩方面為機床加工提供異常狀態監控，保障機床自動化生產的正常運行。

（1）異常狀態監控 ——碰撞監測。理論上，在加工過程前（刀具還未切入工件）的機床快進給階段，主軸包括刀具不會接觸任何東西，機床本身只有主軸旋轉或工作臺運動產生的輕微振動。但如果由于一些失誤（例如裝刀或刀補失誤、程序或操作失誤、工件或夾具異常等），主軸包括刀具可能會撞上其他部件。機床本身是無法感知到發生的碰撞，目前機床的保護方式是只有在撞擊的力超過了機床的承受極限時機床才會停機，而這時主軸、刀具及被撞部件可能已經產生了劇烈的變形，造成無法挽回的巨大損失。

ToolScope的碰撞監測功能在加工過程前監測機床主軸的振動（在機床主軸附近安裝一個振動傳感器）。在監測到機床振動異常加劇時，ToolScope會立即向機床發送停機指令（ToolScope反應時間2ms），在碰撞發生的一瞬間就停止機床，避免造成更大的損失。而在機床正常運行或加工時不會有任何影響（見圖1）。

（2）異常狀態監控——公差范圍監控。在加工過程中（刀具切入工件階段），傳統的方式是操作者需要依靠自己的經驗，通過加工過程中的聲音、機床振動、目測加工部位、不斷波動的功率條等方式判斷加工過程是否正常，在發生一些異常時并不能非常準確地做出判斷和及時地做出反應。并且在機床開始加工后的整個過程中，也無法非常直觀的了解到中間發生了什么。

ToolScope可以自動讀取機床各個軸的負載、速度及位置等數據，以及程序號和刀具號等信息，因此每一把刀具的每一個加工過程都可以實時生成相應的加工曲線（機床負載在坐標軸內隨時間變化的曲線），從而非常直觀地呈現出加工過程中的變化，實現最基礎的加工過程數據化和可視化。

ToolScope通過對正常的加工過程的監控，可以自動學習到該加工過程的曲線或特征，生成最大/最小極限值和加工曲線的公差范圍邊界，在后續的生產中，根據極限值和公差范圍邊界對加工過程進行監控。如果發生了崩刀、斷刀及燒刀等異常情況，其加工過程的曲線和特征相比正常的加工過程肯定有突變或很大的差異，ToolScope可以自動識別出這種突變和差異，進而發出警報和控制機床暫停，避免對工件、刀具和機床的進一步損壞，提高加工過程和機床的穩定性，降低廢品率和生產風險（見圖2）。

2.第二階段：數字化工廠

數字化工廠從產品研發設計仿真和工藝規劃、生產組織和實際加工、產品質量跟蹤、到裝配和物流，將所有環節有機的結合在一起，實現產品的全生命周期管理和全面的制造過程管理。其中一個最基本的要求是需要將各個環節通過網絡連接在一起，每個環節和其他環節之間都能實現數字化的信息交換。

圖1

圖2

機床設備作為工廠中很重要的環節，無法直接連接到工廠的信息化網絡并提供數字化的數據和信息。ToolScope加工過程監控系統可以為每臺機床采集數據并連接到網絡，作為工廠信息網絡在每臺設備上的神經末梢，消除機床設備的信息孤島，納入到車間的數字化和網絡化管理。

ToolScope能夠提供局部的數字化工廠解決方案，同時能開放端口與第三方信息化管理系統進行網絡化的集成應用。

（1）機床數據采集和記錄。ToolScope能采集所有從機床內部（例如旋轉軸或進給軸的功率、轉矩等負載數據，及目標、實際位置、速度等數據）或外部傳感器（如振動、加速度、溫度、壓力和流量等數據）讀取到的數據，在用于對機床進行監控的同時，還能根據采樣頻率（最大100Hz）記錄監測到的所有數據以及監控生成的加工過程曲線。

ToolScope擁有自身獨立的數據存儲空間，可通過USB導出或內部網絡遠程讀取的方式，導出PNG 格式、可用EXCEL編輯的CSV格式及PDF 格式等文件。ToolScope通過獨立的硬件來進行數據的采集、記錄和運算，響應速度快，全天候監控，不占用機床本身的運算能力，不會對機床的程序、控制和反應速度造成影響（見圖3）。

通過可配置的傳感器數據，ToolScope使機床具備了提供數據和信息的能力，用文件記錄或網絡信息交換的方式，能夠持續地提供機床狀態數據和加工過程數據。

同時，ToolScope通過對加工過程的深入監控，能提供工件在機床上的完整加工過程記錄，作為可追溯的過程質量體系文件。文件可匹配工件編號進行記錄。配合電腦端的SoftScope軟件，可以對加工過程記錄和警報進行分析和回溯，可用于問題分析和改進、優化工藝等。

（2）Tool Scope自身的網絡管理。每臺安裝于機床的ToolScope監控器都是雙網卡配置，通過TCP/IP網線連接到內部的局域網。可在遠程電腦上通過局域網IP地址直接訪問ToolScope監控器，進行數據讀取和維護。ToolScope的機床數據記錄、加工過程記錄以及監控設置等，都可以通過局域網自動上傳至服務器，或發送到指定的IP地址。

除了能在機床操作面板上顯示單機的監控畫面外，還能在遠程電腦上進行遠程監控顯示，以及在獨立的信號線纜連接的顯示屏、或遠程通過網絡連接的顯示屏上顯示特定機床的實時監控畫面，或集中顯示多臺設備的監控畫面（見圖4）。

（3）機床運行狀態顯示和利用率分析。作為全天候在機床后臺實時運行的設備，可以利用ToolScope獲取的機床狀態數據和加工過程數據，對機床的運行狀態進行集中顯示和記錄，統計實際加工時間和閑置時間，記錄運行程序號、刀具號記錄和時間，分析機床的有效利用率，為車間設備管理提供輔助（見圖5）。

（4）無人化生產的解決方案。在實現自動化生產和數字化工廠之后，無人化生產是一個未來的發展趨勢。ToolScope為自動化生產中最不穩定的機床加工環節提供實時監控和主動的通知管理功能，在某臺機床發生異常狀態時，除了及時停機進行保護外，可以通過運行在局域網服務器上的信息分發軟件，將相關的報警信息通過有線或無線設備通知到生產和刀具的負責人員，保證整個系統的穩定運行和及時響應（見圖6）。

圖3

圖4

圖5

（5）數據分享和網絡化集成。ToolScope有了現場采集得到的機床狀態數據、加工過程數據以及分析計算出的結果數據，可以通過網絡化集成，按照指定的協議為第三方信息化管理系統（如DNC、MES、PDM和PLM等）提供數據，達到真正高效及時的數據共享。

3 .第三階段：智能化制造

工業4.0的一個非常重要的目的就是實現制造業從自動化向智能化的轉變。整個生產系統在通過網絡化的信息管理組織和實現各個環節之間的數據信息交換之后，還需要進一步提高其實時信息、靈活性、自適應性和可學習等能力，具備容錯能力和風險管理能力，然后通過可實時應對的靈活生產系統和網絡，實現生產工程的高級自動化和徹底優化。另外一個特征是需要在系統中的每個環節都實現獨立的增強控制，通過去中心的智能化實現更加的柔性生產。

目前機床的狀況是只能執行本地存儲的NC程序，并完全按程序的順序執行操作，不能自主了解加工過程和刀具的狀況，即使發生了異常狀況也不會停止。

ToolScope加工過程監控系統能夠賦予機床智慧，自主地判斷設備、裝夾、加工過程和刀具是否正常，在發生斷刀、撞刀等異常情況時立即控制停機，保證過程安全穩定。同時還能根據實時的加工負載智能地調節進給倍率，優化加工效率；以及根據刀具的切削力判斷刀具是否磨損，降低刀具的風險和成本。

圖6

（1）自適應控制。通常在編程和實際加工時，每個加工過程和刀軌都只執行同一個進給F值，無論加工余量如何變化、或在一些難加工部位和遇到材料缺陷時，都無法自主地適用實時的加工狀況。例如，刀具如果在遇到硬點時還是按原先速度進給，就很有可能引起崩刃。

ToolScope在每個加工過程的第一次運行后，即可通過學習計算出該加工過程的理想負載，從第二個加工過程就可以開始對進給倍率進行優化。在實時負載低于理想負載時自動按比例提高進給倍率，高于理想負載時自動按比例降低進給倍率。進給倍率的控制范圍（最大/最小倍率值）可以針對不同的加工內容進行單獨設置。

因此，安裝了ToolScope的機床就可以在空切削和小余量時自動增加進給倍率，提高加工效率和設備利用率，特別適合用于有很多銑削的加工；同時，在遇到大余量、材料硬點、刀具磨損及工況不穩定時，機床可以自動降低進給倍率，有效降低在加工時發生的振動、噪聲等情況，保護刀具和主軸，防止刀具損壞，延長刀具壽命（見圖7）。

（2）基于平均切削力的磨損趨勢監控。ToolScope在每個加工過程結束后可以自動分析和計算其平均切削力，對應加工過程數據進行分布顯示。隨著加工次數的增多，刀具的平均切削力肯定會隨著刀具的磨損而越來越高。

傳統的刀具壽命管理方式通常是技術人員通過測量零件和觀察刀具切削刃的狀況等經驗來判斷刀具的磨損程度，或通過按額定的加工件數強制換刀的方式來進行管理。

圖7

ToolScope的平均切削力分析額外提供了一種判斷刀具狀況的手段，并能通過每一次的平均切削力記錄將刀具的磨損趨勢進行非常直觀的可視化。在基于技術人員對刀具達到最大壽命時的最大平均切削力有了經驗數據后，就可以為刀具設置磨損極限，由安裝ToolScope的機床來判斷刀具的實時磨損狀況，并在刀具磨損后發出報警；如果機床有專門的備刀庫，還可以實現自動調用備刀。同時平均切削力分析還可以進行缺刀、缺工件檢測，為異常狀態監控提供輔助支持（見圖8）。

圖8

除了為每臺機床實現一定程度的智能化外，ToolScope還為客戶的進一步數字化和智能化建設預留接口，面向更加開放的未來。

4.結語

ToolScope 專注于提升整個加工過程，為智能化生產提供領先、全面的監控能力和服務。不斷推出新的實用監控策略和網絡擴展功能，基于一次采購的硬件和后續的軟件升級服務，保證客戶始終使用最新的加工過程監控技術。ToolScope加工過程監控系統已廣泛應用于發動機、汽車零部件、航空航天、能源、模具、液壓、重型機械及機床等行業。