基于節能的高速CNC機床集成監控系統設計

鄭麗 黃學輝 劉仲彪

摘 要： 復雜工況對于高速 CNC機床加工的精度以及其安全都有很大的影響，因此要設定檢測參數閥值，通過檢測數據預期對比來判斷加工工況是否安全。設計了基于高速技術的高速CNC機床集成監控系統，對該系統的工藝進行了設計，同時還設計了系統硬件以及開發了PLC軟件程序，另外對傳感器選型進行了說明，并且完成高速與840D/828D 數控系統的無縫銜接。最后通過實際試驗證明了該監控系統提高了高速CNC機床在復雜工況下工作的安全性以及生產過程的可控性，同時使得生產產品質量以及其效率得到了保障。

關鍵詞： 高速車削；工況預測；集成監控；高速

高速CNC機床加工的過程具有柔性化及動態化等特點，所以加工過程及其運行狀態的監控均包含有明顯的復雜性。盡管我國當前自主研制的機床的定位及反復定位精度已經很高，但是由于加工的過程很復雜，同時伴隨有振動、刀具損耗和熱力耦合變形等要素影響，從而致使生產精度及穩定性等特性降低，所以生產過程的穩定性及可 靠性、產品質量及生產效率等方面和先進國家還有很大的距離。實際生產過程中，由于工藝參數的合理選擇、切削振動、刀具磨損、受熱變形等諸多影響因素致使加工成品與理論模型之間存在誤差，設備性能的發揮和壽命的保障、加工效率和成本等都是需要考慮的因素，這些都離不開加工過程監測技術。

機床和加工過程的監控技術是獲取信息、發現問題和解決問題的途徑，是實現數字制造、智能制造的前提和基礎，是進行高效、高質、安全、可靠加工的有利保障，只有對機床、刀具和加工過程進行監測，才能獲知設備和過程狀態信息，從而據此進行智能優化控制，所以說先進的監控技術是實現智能制造和使機床變聰明的基礎和唯一可行的途徑。

1、集成監控系統工藝設計

高速CNC機床復雜工況下集成監控系統工藝流程在加工開始之前，利用虛擬測試過程實現每一項代表性工況的檢測工作并將其特性保存至數據庫，同時作為工況的辨別以及其參數優化的參考依據。

高速的監控將涉及全部生產過程，針對如碰撞、刀具破損、崩刃、超載及顫振等突發性事故完成實時檢測甄別，然后動態檢測刀具的損耗程度以及切削的振動狀態，當檢測到刀具損耗時開啟機器視覺過程以此來確定其損耗程度，在線檢過程完成主要節點以及加工結束的檢測，以此來確保生產質量。

該集成監控 系統利用數控系統實現對復雜工況的控制，將測頭及CCD看成刀具安設在對應的位置，利用數控程序及機床自身的 工作實現其檢測，因此該集成監控系統不僅僅含有對硬件的集成而且還有對軟件的集成。

2、監控系統設計

將檢測到的主軸電 機功率 信號及切削振動信實時傳輸到840D/828D 數控系統及上位機，并且通過840D/828D HMI R 變量模式可以對保存在200～203范圍內的檢測數據進行實時查看，同時利用數控系統實時處理檢測數據并 實行對應的控制步驟，然后利用上位機監控界面實現對檢測數據的實時顯示。

3、試驗結果

HTC2550hs高速數控車削中心，數控系統西門子828D 系列，選取加工直徑是600mm 的45鋼棒料，主軸的 轉速、電機 功率及最高 扭 矩分別是 0～6000轉、20.5/15kW 及162N·m，X 軸及 Z軸的移動 速 度 和 進 給 電 機 功 率 分 別 是 60m/min 和4.71kW，Z軸（主軸）、X 軸的最高進給抗力分別是1290N、1720N，人為設定六種不同的工況條件，其試驗結果見。對于預設的過載、碰撞、顫振、刀具嚴重磨損的異常工況識別和處理，不同級別的警報響起，警燈點亮，并記錄下此時的最大值和持續時間。

4、結 論

基于多傳感器的高速CNC 集成監控系統不僅提升了加工過程的可靠性及可控性，而且還提升了其穩定性以及加工質量與效率。同時用戶可以很簡單、方便、直觀的運用該系統，在很大程度上提高了 其對復雜工況的預測感知能力以及監控能力。