機床自動加工中刀具更換的研究

白書鵬 胡松軍

【摘?要】隨著經濟和科技水平的快速發展，數控加工就是機床按照事先設定好的程序進行加工作業，實現對加工難度高、加工程序復雜的零部件進行加工，比如軸類部件、盤類部件等。在現階段自動化技術的應用下，數控加工的生產效率不斷提高，生產的質量越來越好，在為企業帶來足夠利益的同時，也提供了很大的便利。但數控加工仍然存在很多質量上的問題，影響加工的進行。刀具長度補償作為數控機床的重要功能，需要操作者熟練掌握并靈活運用，才能保證產品加工質量。在實際生產中，尤其是大中型殼體數控加工過程中，常常需要操作者頻繁更改刀長，同時，由于加工過程產品變形，為了保證產品質量及加工精度，操作者需根據測量結果對刀長進行修正。在頻繁的人為干預過程中，刀長輸入錯誤的問題時有發生，從而導致產品超差、報廢、甚至機床碰撞等安全事故，帶來巨大的經濟損失。

【關鍵詞】刀具磨損;振動信號;預測性維護

引言

數控機床主軸刀具磨損程度對于零件生產加工的成品率起決定性作用。要實現無人化工廠，需要將各個工藝段實現無縫對接。為保證零件加工的成品率，開發了基于振動監測的數控機床刀具預測性維護系統。系統以主軸刀具的振動信號為數據源，重點對振動信號進行采集、分析，對零件加工過程中刀具的磨損程度與振動信號關系進行研究分析。為數控機床主軸刀具加工零件過程中的及時預警提供了理論與試驗條件，實現了零件生產加工過程的預測性維護。

1刀具磨損分析

為保證產品的尺寸精度，按刀具磨損的階段不同，加工一定數量產品后對刀具磨損進行手工輸入或按加工一定數量后抽檢零件尺寸對刀具磨損進行手工輸入的方式抵消刀具加工過程中磨損量對產品尺寸的影響。該解決方法顯然存在不科學不合理性，主要問題表現為：操作者需要根據刀具不同階段，加工數量進行刀具磨損補償，極易出錯;刀具磨損是按規律變化的，如加工一定數量后再進行刀具補償存在尺寸穩定性不高，尺寸統一性較差;操作者憑經驗去判斷補償量，缺乏科學性和合理性;手動進行刀具磨損量的補償，導致加工效率低。為解決上述問題，需尋求零件加工程序的優化，以實現穩定、可靠的切削加工。

1.1刀具制造的誤差

在數控加工中，刀具是必不可少的一環，也是加工質量的影響因素之一。刀具的制造在生產和設計的過程中都會出現一些誤差，或設計誤差，或制造誤差，誤差的存在就會導致刀具在數據加工中出現質量方面的問題。另外，刀具在生產過程中的誤差雖然能夠得到有效控制，但隨著時間的流逝，誤差越來越大，影響零件的加工精度，降低產品的質量。

1.2刀具與零件表面切削力變化

在數控機床生產加工的過程中，刀具磨損會引起刀具與零件接觸面之間切削力的變化，刀具磨損后，刀具表面變粗糙，刀具頭鈍化，此時刀具與加工零件之間的摩擦力會變大，振動幅度也會變大。由于振動的變大，刀具與加工零件之間的相對位置會不穩定，加工精度降低，當磨損到一定程度會產生廢品廢件，同時刀具壽命會進一步減少。

1.3切割量

切割量對于數控機床的加工質量也有著很大的影響，由于切削量的不同，加工的精度也不盡相同。切割量的變化是隨著進給量和速度以及深度等變化而變化。在數控加工中，每一個選擇的確定都會影響加工的精度，也會影響零件在加工后表面的粗糙程度。因此，在這個過程中，通過控制切割量的變化能夠有效提升加工精度。比如說，在加工操作的過程中，背吃刀量的選擇就會影響加工的質量。

2提高數控加工質量的措施

2.1刀具長度補償設置防錯應用

由于該殼體網格在銑削加工過程中存在變形，精加工過程操作者需根據網格測量值對刀長進行補償，受人為操作的不確定性影響，刀長輸入錯誤的問題時常發生。通過引入刀長補償防錯功能，在加工程序中加入防錯子程序，僅需操作者更改刀具適配器中的長度尺寸。當執行到子程序時，機床提取當前刀具的補償值，并將該值與事先預設的閥值進行比較。當補償值在閥值內時，程序正常運行;當該補償值超過閥值時，機床報警，程序暫停運行，操作者可根據提示對刀長值進行檢查。

2.2人機交互軟件

目前上位分析軟件主要針對振動信號分析設計開發，實現對主軸電機振動信號采集，將刀具加工零件過程中的振動信號實現實時分析計算，利用計算機記錄存儲刀具的振動參數，如：加速度、速度、位移等，設備一旦出現故障前兆及時報警并盡可能多的采集故障信號，為故障提前判斷預警和分析故障原因提供可靠的數據，軟件可自動生成曲線、報表、日數據庫、歷史數據庫及報警庫等。登錄用戶名和密碼，進入主界面，在曲線中選中一個加工周期即生成一條曲線，曲線圖標的Y軸縱坐標及X軸橫坐標具有放大、縮小功能。

2.3刀具磨損信號特征提取

刀具磨損狀態監測采用工業傳感器采集的信號作為狀態識別模型輸入值，選擇、提取輸入值過程被稱為特征工程，信號特征提取的好壞直接影響機器學習算法建立模型性能的優劣.機床加工過程中，信號采集傳感器按照就近原則安裝在機床部件上.由于機床刀具通常為旋轉部件，因此傳感器通常固定安裝在與刀具靠近的工作臺上，監測加工過程中的切削力、切削振動及機床主軸電機功率等多種物理信號，多數情況下采集的信號數據密集并且包含噪聲干擾，與刀具狀態映射關系不明顯，同時龐大的數據量對處理系統計算能力要求較高.在特征工程中，采用時頻域處理法能有效去除采集數據的噪聲干擾部分，提取出明顯反映刀具狀態的特征值。

結語

加工程序員在開展自動編程的過程中，必須要結合數控加工需求的實際情況，針對影響數控加工精準度的因素進行深入分析，嚴格設置各種參數，切實生成正確科學的刀具軌跡。基于振動監測的數控機床刀具預測性維護可以實現刀具磨損的提前預警，通過研華MIC-1816R對振動信號進行實時匯總采集，上位機軟件分析處理，提前預測刀具可能出現的磨損和斷刀情況，將刀具的各種狀態及報警狀態在上位界面進行顯示，操作人員通過人機交互界面根據不同刀具的磨損情況提前進行相關智能化操作。這種提前對刀具壽命進行預測的方式極大提高了企業的生產效率，減少了人工勞動量，避免了廢品廢件的產生，對企業實現智能化運維具有極其重要的意義。其所蘊含的巨大的市場潛力與價值，在未來具有廣闊的市場前景。

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（作者單位：河南工學院）