氣密性檢測技術(shù)在機械加工中的應(yīng)用

關(guān)鍵詞：斷刀檢測；自動化生產(chǎn)；氣密檢測

0引言

在機械制造行業(yè)中，產(chǎn)品大多是金屬制品。在加工過程中，由于切削力大且毛坯硬度不均勻，刀具折斷和崩刃的現(xiàn)象時有發(fā)生。隨著自動化程度的提高，在長時間、不間斷的流水線生產(chǎn)中，這種現(xiàn)象愈發(fā)明顯。如果發(fā)現(xiàn)不及時，很容易造成大批量的產(chǎn)品報廢，從而嚴重影響生產(chǎn)過程[1]。而如果采用100%人工檢查刀具是否存在問題，會浪費生產(chǎn)時間，也與自動化線的宗旨相違背，定期抽檢則無法保證過程能力。鑒于上述多方面客觀因素，如果機床本身具備刀具自動在線檢測功能，就能很好地解決這一問題。在每把刀具加工工件前，先進行刀具檢測，機床確認刀具沒有任何問題且仍在壽命周期內(nèi)后，再進行切削。同時，通過監(jiān)控加工過程中某些特殊信息的方式，實時監(jiān)控刀具的狀態(tài)。一旦刀具出現(xiàn)異常，檢測系統(tǒng)便會立即觸發(fā)機床發(fā)出報警提示。通過在線自動檢測刀具的工作狀態(tài)，保證機床生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品，并保障生產(chǎn)效率。

目前，我單位加工的產(chǎn)品中包含鍛件。相比于其他材質(zhì)的產(chǎn)品，鍛件經(jīng)過鐓粗、鍛壓和熱處理等多道工序，其內(nèi)部組織晶粒細化，結(jié)構(gòu)致密，硬度相對更高。因此，在刀具加工鍛件時，更易產(chǎn)生斷裂、崩刃等異常情況，在自動化線生產(chǎn)中，一旦出現(xiàn)這種情況，就會導(dǎo)致批量性不合格品的產(chǎn)生，對后續(xù)的成本和質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。

1解決方案

1.1方案設(shè)計

方案一：刀具震動檢測

在加工過程中，刀具需承受巨大的力和摩擦，因此刀具斷裂會嚴重影響加工效果和設(shè)備安全。為了避免此類問題，加工中心常采用刀具斷裂檢測方法。其中，振動檢測法是通過監(jiān)測主軸加工過程中的振動情況來判斷刀具是否斷裂。通常，刀具正常加工時振動較小，而刀具斷裂時振動幅度會顯著增大。因此，監(jiān)測主軸振動情況可有效判斷目前加工狀態(tài)[2]。

方案二：機械開關(guān)斷刀檢測

該方法通過在刀庫中安裝機械開關(guān)來判斷刀具是否斷裂。刀具斷裂后，斷口會與機械開關(guān)分離，導(dǎo)致機械開關(guān)失去聯(lián)系，從而觸發(fā)報警信號[4]。該方法具有速度快、可靠性高的優(yōu)點，但在刀具逃逸或未能及時到達機械開關(guān)的情況下，檢測效果可能受影響。

方案三：視覺斷刀檢測

視覺斷刀檢測利用攝像頭拍攝刀具，并通過圖像處理算法實時檢測刀具的形態(tài)和位置。該方法可對刀具形態(tài)進行定量分析，并根據(jù)分析結(jié)果判斷刀具是否斷裂。與機械開關(guān)檢測方法相比，視覺檢測方法可避免因刀具逃逸或未及時到達機械開關(guān)而導(dǎo)致的誤判問題[3]。

1.2方案選擇

綜合檢測方式、成本等因素，選擇方案二更符合實際情況。為解決檢測效果可能受影響的問題，考慮增加氣密性檢測相結(jié)合的設(shè)計，以進一步提高檢測的準確性和可靠性。

2機械開關(guān)斷刀檢測設(shè)計

2.1機械工裝原理

設(shè)計了氣密檢測工裝（圖1），該工裝的機械部分由底座、測銷和內(nèi)置氣路組成。控制部分由傳感器和可編程邏輯控制器（PLC）構(gòu)成。在檢測過程中，機床刀具與工裝測頭接觸。正常狀態(tài)下，測銷會被下壓從而堵塞氣路，確保氣體無泄漏。而如果刀具斷裂，測銷會被頂起，導(dǎo)致氣體泄漏。氣體壓力傳感器負責(zé)采集氣體壓力，將物理信號轉(zhuǎn)換為電信號，并與設(shè)置的靈敏度值進行比較。比較結(jié)果將反饋給可編程邏輯控制器（PLC），最終實現(xiàn)與機床的聯(lián)動控制。如果檢測到斷刀，機床將停止運動并發(fā)出報警信號；反之，則機床將繼續(xù)正常運行。

2.2靈敏度計算

靈敏度是衡量系統(tǒng)性能的重要指標，能夠反映系統(tǒng)對輸入變化的響應(yīng)程度。它指示了系統(tǒng)的靈敏性及其對外界變化的敏感程度，是系統(tǒng)設(shè)計、控制和優(yōu)化的重要依據(jù)。靈敏度計算基于輸入變量和輸出變量之間的函數(shù)關(guān)系。具體來說，靈敏度是指在給定的輸入變量變化范圍內(nèi)，輸出變量的變化量與輸入變量的變化量之間的比值[5]。

通過PLC進行電信號的轉(zhuǎn)換，從而發(fā)出氣密檢測識別信號。例如，當氣密檢測通過時，PLC信號為“#9002=1”；當氣密檢測不通過時，PLC信號為“#9002=0”。

2.3PLC設(shè)計

PLC設(shè)計如圖2所示。

2.4控制邏輯

程序執(zhí)行斷刀檢測代碼M158，對應(yīng)PLC梯形圖（圖3）中的繼電器為R1819.6。在刀具狀態(tài)正常的情況下，刀具與測銷充分接觸，測銷被下壓，內(nèi)置氣路被堵塞。此時，氣體壓力傳感器（圖4）將壓力值轉(zhuǎn)換為電信號，并將M158對應(yīng)的R1819.6繼電器復(fù)位，機床將繼續(xù)正常運行。若刀具異常，則刀具與測銷接觸不充分，內(nèi)置氣路保持通暢。氣體壓力傳感器會發(fā)出電信號，使M158對應(yīng)的R1819.6繼電器保持得電狀態(tài)。通過延時計數(shù)器等待5s后，如果R1819.6仍然是得電狀態(tài)，則D0429.1繼電器得電（圖5）。最終，輸出斷刀報警信號EX1291。

3實驗效果

3.1驗證重復(fù)測量下氣密裝置是否檢測靈敏

方案設(shè)計：使用手輪將機床刀具手動調(diào)整至同一高度，并觀察氣密檢測裝置的狀態(tài)直至其正常通過檢測。隨后，固定機床手輪的Z值并記錄，將刀具抬起后再次搖至該固定值，重復(fù)此過程30次，每次均觀察并記錄氣密裝置的狀態(tài)。

3.2驗證加工過程中該控制系統(tǒng)穩(wěn)定性

方案設(shè)計：在正常運行程序的情況下，使用正常刀具重復(fù)執(zhí)行斷刀檢測程序30次，輸出并記錄每次的結(jié)果；然后，在其他條件不變的情況下，更換為斷裂刀具，再次重復(fù)執(zhí)行斷刀檢測程序30次，同樣輸出并記錄每次的結(jié)果。

3.3結(jié)論

通過分析表1的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，該機械工裝及氣密檢測裝置具有較高的靈敏度，且重復(fù)性好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。同時，表2和表3數(shù)據(jù)表明，該控制系統(tǒng)具有靈敏準確的特點。綜上所述，該系統(tǒng)方案可行，效果良好。

4結(jié)束語

斷刀氣密性檢測技術(shù)在機械加工領(lǐng)域的應(yīng)用，成功解決了自動線上自動確認并檢查刀具狀態(tài)的難題。該技術(shù)實現(xiàn)了對不同產(chǎn)品的自動化檢測與加工，為“批量自動化刀具生產(chǎn)加工”提供了一種解決問題的思路。在應(yīng)用該成果后，操作者從原先需要目視識別刀具狀態(tài)變?yōu)樽詣訖z測，不但降低了人的勞動強度，還有效解決了自動化生產(chǎn)過程中刀具批量不合格品的問題。自成果應(yīng)用以來，由于刀具斷裂導(dǎo)致的廢品發(fā)生率已經(jīng)降低至“0”。經(jīng)過實際生產(chǎn)中的批量加工驗證，該成果完全可以作為自動化識別刀具狀態(tài)的參考案例，并有望廣泛應(yīng)用于各類機械行業(yè)的自動化刀具加工中。