數控切削中刀具在線監控系統的研究與應用

谷春春

摘要：本文提出了一種數控加工過程中刀具在線監控系統，并詳細介紹了用主軸電機電流作為刀具在線監控系統信號源的原理及優勢。該系統的應用可使數控加工中機床故障停機時間減少，工藝穩定性、機床利用率、刀具壽命和生產管理追溯性等性能均有質的提升。

關鍵詞：刀具在線監控;數控加工;刀具壽命管理;主軸電流

0 ?引言

在切削過程中，刀具的磨損以及由于加工因素異常帶來的刀具破損等情況不可避免，因此需要通過系統設置刀具檢測功能來及時更換刀具，避免刀具意外受損，延長刀具壽命周期，降低生產成本。開發具備上述功能的刀具在線監控系統，實時對零件的切削狀態進行動態跟蹤，基于大量可追溯的加工過程記錄對刀具磨損程度及刀具壽命進行監控和不斷優化，定時、定量更換刀具，以期實現刀具管理的使用成本最小化。

1 ?刀具在線監控系統的原理

刀具監控是指在產品切削加工過程中，通過檢測各類傳感器信號變化，將刀具的加工參數，連同加工材料的類型和主軸轉速一起輸入到神經網絡控制器中。由神經網絡控制器計算負載，將得出的負載數據輸至檢測器，最后將輸入信號同檢測器輸出的結果進行比較，若該負載大于刀具疲勞條件下的裂紋擴展負載，則意味著刀具磨損到一定程度，或發生崩刃、破損、卷刃等工況，喪失其切削能力或無法保障加工質量的情形，此時監控系統會控制CNC報警停機，達到保證加工安全的目的。

刀具在線監控的方法很多，一般可分為直接測量法和間接測量法。直接測量法包括接觸監測法和光學監測法，接觸監測由于需要停機監測、無法實現實時監測、增加加工節拍等弊端使用范圍不是很廣;而光學監測雖直觀，但受空間和環境限制使用范圍同樣受限。間接測量法主要是利用監測系統中的傳感器讀取切削過程中刀具的各種信號，如振動、切削力、功率、電流、聲波等信號而實現在線監測控制的目的，其原理因監控信號類型及讀取信號方法的不同而略有差異。

本文介紹的刀具在線監控系統即電流式刀具在線監控系統。數據采集處理單元的傳感器通過監控電機電流和功率信號進行在線采集，這些數據反映了加工的實時狀態，對加工過程進行實時控制。

2 ?刀具在線監控系統實施必要性及潛在效益分析

整個產品的制造過程是一個多因素耦合的“黑盒子”，每個因素的波動都會導致整個制造結果的不穩定，制造過程是否優化，對制造成本有著極大的影響。為增加產品加工工藝穩定性，傳統工藝在加工過程刀具狀態監控方面增加了相關防錯改進，如接觸式的斷刀保護裝置來檢測易斷刀具是否完整、刀具壽命宏程序來控制達到使用壽命的刀具強制換刀。但兩種技術均存在一定的局限性：①針對機床上安裝的斷刀保護裝置，機械接觸式會增加走刀路徑，額外增加節拍時間約為30s/把/次;同時為保證加工效率，在機床安裝相關探測裝置，只能對特定刀具進行監控。此外，只能停機檢測，無法實現實時在線監控以保證監控的時效性。②針對內嵌在加工程序中的刀具壽命宏程序，實現方式為計數器的形式，其中額定刀具壽命仍為理論經驗值，準確性與實際加工相比仍有一定差異。通過引入刀具在線監控系統，可有效優化上述工藝的不足，并可最大限度地幫助減少機床停機時間和降低廢品率，監測和管理批量生產過程中的刀具磨損。

此外，隨著自動化生產線的實施與推廣，對生產過程的異常識別、加工過程的精確控制提出了更為嚴苛的要求。趨于無人化操作的加工過程，要求擺脫傳統的人工確認機床狀態、刀具磨損情況等觀念和運行模式，系統自動識別加工異常并報警，減少因撞刀等異常過程帶來的批量報廢或更大損失，保證過程穩定;同時系統積累并分析批量生產時的強大數據庫，獲取更為精確的刀具加工壽命，為有效降低刀具成本，進一步降低生產管理成本，提高技術能力和質量控制有著重要意義。

刀具在線監控系統可保護機加工過程的穩定性，避免因刀具磨損、斷裂等造成的撞機;優化刀具壽命;即刻停機，避免因刀具磨損、斷裂等造成的撞機，避免二次損傷或更大損失;降低因人為原因造成的刀具成本的增加;采集詳細數據用于過程參數優化，實現加工過程可追溯化管理。

3 ?刀具在線監控系統在CNC加工中的應用

刀具在線監控系統在數控立式加工中心上應用，研究T1玉米銑刀和T2 D70鏜刀的應用數據。

3.1 刀具破損監控-漏裝刀、斷刀情況

圖1為T1玉米銑刀切削加工時的刀具監控系統界面。界面中綠色曲線為刀具切削加工標準走勢曲線，橫坐標代表加工時間，縱坐標代表傳感器監測的機床主軸電流值，獲取方法為選取新刀片對零件進行3-5次加工后自動生成平均值作為刀具切削該零件的標準曲線，然后系統會在刀具監測范圍自動核算刀具加工負載值，生成磨損極限及破損極限（極限值可根據實際加工情況進行調整優化并受控固化）;藍色曲線代表每次切削刀具傳感器監測到刀具的實際負載值，通過與標準加工負載走勢圖進行對比，可判斷工具的異常狀態（破損或磨損），下同。左圖中可看到實際加工曲線與標準曲線重合較好，尚未達到磨損極限，刀具狀態正常。右圖為模擬斷刀、漏裝刀等情況，在不安裝工件情況下對空程加工狀態進行監控，實際加工曲線與標準曲線偏離較大，同時蜂鳴器報警提示加工狀態異常。刀具在線監控系統的使用可極大增強切削加工工藝的穩定性，避免撞機時間帶來的損失和安全風險。

3.2 刀具磨損情況監控

加工曲線中的一張，匯總該刀具所有加工情況可以看出刀具加工情況曲線隨著加工件數的增加的變化規律。如圖2。

該刀具在使用監控系統前，其壽命是靠理論經驗值定義，換刀頻次為1次/班，加工件數約160件。匯總全天刀具監控結果可知，新換刀片初始加工時，實際加工曲線（藍色）與標準曲線（綠色）吻合較好。隨著加工件數的增加，實際加工曲線逐漸偏離標準曲線并向磨損極限靠近，當加工至160件左右，通過刀具和零件表面質量判定該刀具仍可繼續加工。當加工至191件時，零件達到磨損極限，系統報警并控制機床自動停機，從刀具及零件質量方面判定該刀具確實達到使用壽命。對比以往報警記錄，每把刀加工零件個數穩定在190±10件，且零件質量相對穩定。數據顯示，該刀具在該工序刀具壽命提升18.8%，表明傳統加工模式中刀具壽命仍存在較大提升潛力，通過刀具在線監控系統的使用可達到一定降低加工成本，并減輕操作人員勞動力的效果。

4 ?結論

結合刀具在線監控系統在某產品切削加工中的應用實例，通過對刀具使用狀態的適時監控，可以對加工過程持續優化，增加刀具的耐用度，減少加工周期和加工成本。同時在監控過程中出現機床負載報警時可以緊急停機，最大限度的保護機床工件和刀具不受損傷，減少人機受損的風險，生成管控和質量管控都有所提升。

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