謝 亮 劉 眾 謝 賽

（北京天瑪智控科技股份有限公司，北京 101300）

在機(jī)床加工過程中，刀具情況是機(jī)床加工過程中的重要影響因素。刀具異常包括刀具斷刀、刀具崩刃、刀具掉落以及刀具繞絲等，會嚴(yán)重影響加工。在連續(xù)多個刀具進(jìn)行加工的過程中，后續(xù)的刀具可能因為前一個刀具的加工不到位而損壞，造成一連串的刀具故障[1-2]。這不僅影響了正常生產(chǎn)，也增加了更換新刀具的成本。另外，現(xiàn)有的刀具壽命一般靠計算使用次數(shù)來確定。一個刀具在到達(dá)一定的使用次數(shù)后，即使還沒有完全達(dá)到報廢的程度也不再使用，造成了一定的浪費(fèi)，沒有完全發(fā)揮刀具的應(yīng)有價值。因此，如何有效實現(xiàn)刀具狀態(tài)監(jiān)測是提高生產(chǎn)效率、降低刀具成本和加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。

目前，刀具監(jiān)測手段一般分為兩大類，分別為直接測量方法和間接測量方法[3]。直接測量方法通常是通過直接測量刀刃的外觀和幾何形狀的變化來確定刀具的當(dāng)前狀態(tài)。這種測量方法不能在加工時進(jìn)行測量，必須等待當(dāng)前加工完成后執(zhí)行專用的測量程序。間接測量方法通過監(jiān)測刀具在加工過程中某些狀態(tài)信號的變化，間接反映出當(dāng)前刀具的健康狀態(tài)。間接監(jiān)測方法包含切削力檢測、功率信號檢測、震動信號檢測以及切削溫度檢測等。其中，功率信號檢測方法作為刀具狀態(tài)監(jiān)測中一種簡單而有效的監(jiān)測信號，具有信號采集方便、在線測量等優(yōu)勢，是目前研究的熱點。

本文結(jié)合實際項目，在津上BO385L臥式車床（走心機(jī)）上進(jìn)行測試。該機(jī)床使用的數(shù)控系統(tǒng)為Fanuc 0i-TD系列，同時有兩個主軸進(jìn)行加工[4]。試驗中將刀具磨損實時監(jiān)控系統(tǒng)軟件外掛于機(jī)床旁邊，實時監(jiān)測刀具加工時的功率變化。當(dāng)?shù)毒邤?shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，立即通過提醒、報警和停機(jī)等方式自動干預(yù)加工過程，防止擴(kuò)大損失。

1 刀具狀態(tài)監(jiān)測原理

在機(jī)床加工過程中，主軸負(fù)載會隨著主軸的加速度、減速度、切入和切出工件而變化。主軸負(fù)載的變化導(dǎo)致功率在加工過程中呈現(xiàn)出不同的情況。每把刀具的加工曲線受加工部位、加工量、加工參數(shù)及工件材料等因素的影響，在刀具狀態(tài)監(jiān)測過程中需要在每種加工參數(shù)固定的情況下進(jìn)行曲線測量[5-6]。在主軸電機(jī)電壓一定的條件下，主軸功率的變化最終反映在主軸電流的變化上。因此，通過監(jiān)測主軸電機(jī)的電流信號，可以反映加工過程中主軸的功率變化情況。對于電流的測量，通過使用電流互感器套在主軸伺服驅(qū)動器與主軸電機(jī)的其中一項電纜上，可間接測量主軸電機(jī)的電流變化，從而通過電流變化確定功率的變化[7]。

2 參考模型建立

2.1 刀具運(yùn)行狀態(tài)參考區(qū)間自學(xué)習(xí)

刀具狀態(tài)監(jiān)測需要對正常的加工曲線進(jìn)行學(xué)習(xí)。在多次的學(xué)習(xí)過程中，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和融合。對特定的工序和固定的加工刀具而言，每一次加工如果不考慮刀具的損耗和外部條件的變化，加工過程的功率曲線在理論上應(yīng)該是完全相同的。在實際加工過程中，隨著時間的推移，刀具加工次數(shù)不斷積累，刀具會存在一定的磨損，刀具的切削功率會有所增加。在這種情況下，刀具的磨損情況最終體現(xiàn)在功率信號上。因此，對于刀具加工曲線比較模型的學(xué)習(xí)是長期的、并非一次性的[8]。

對刀具的正常加工過程進(jìn)行監(jiān)測時，以一定的采樣頻率采集電流數(shù)據(jù)，并按照時間點記錄實際的電流情況。通過多次的數(shù)據(jù)采集后，形成一批針對某個刀具的加工過程電流數(shù)據(jù)，然后對這批數(shù)據(jù)采用并集計算方式，分別統(tǒng)計每個時間點的上限數(shù)值和下限數(shù)值，最終形成兩個曲線，分別為參考曲線的上沿和參考曲線的下沿。

式中：[ti]表示刀具加工過程中數(shù)據(jù)采集的某個時間點；[down]表示刀具加工過程中在[ti]時間點下的所有下限的點；[UP]表示刀具加工過程中在[ti]時間點下的所有上限的點；Iend[ti][down]和Iend[ti][UP]分別表示學(xué)習(xí)完成后的下沿曲線和上沿曲線在[ti]時刻的電流值。根據(jù)學(xué)習(xí)得到的上下限曲線，再結(jié)合一定的閾值設(shè)定，可以形成一個刀具加工過程的參考曲線區(qū)間。

2.2 刀具壽命特征曲線學(xué)習(xí)

圖1是刀具磨損曲線的一般情況[9]。一把正常使用的刀具在沒有出現(xiàn)斷刀、崩刃等特殊情況時，正常的磨損可以分為分3個階段，分別為初期磨損階段、正常磨損階段和急劇磨損階段[10]。

刀具在初期磨損和正常磨損時不會對加工過程造成嚴(yán)重影響，只有在急劇磨損階段隨時可能出現(xiàn)刀具異常等情況，因為此時已經(jīng)達(dá)到該刀具的壽命臨界。收集眾多處于急劇磨損邊緣的刀具加工過程的電流數(shù)據(jù)，其中I[1]表示第一組刀具的加工數(shù)據(jù)，Vt1表示在t1時間點的電流值。

圖1 典型的磨損曲線

計算每一組與其他各組的歐幾里得距離，如計算第一組和第二組的歐式距離公式為：

對第一組與其他幾組的歐式距離取平均值，得到I[1]組的刀具壽命特征值：

同樣的方式計算其他組刀具的壽命特征值，可以得到T2、T3、Tm的刀具壽命特征值。在所有的刀具壽命特征值中，選擇最小的一組作為后續(xù)判斷刀具壽命的模型，而對應(yīng)的曲線作為該號刀具的特征壽命曲線。在該刀具的后續(xù)加工中，每當(dāng)?shù)毒咄瓿梢淮渭庸?，需要對本次刀具加工曲線與刀具壽命特征曲線的一組樣本進(jìn)行歐式距離計算。如果計算結(jié)果與該刀具的壽命特征值之差小于某個范圍，則認(rèn)為該刀具已經(jīng)到了正常磨損的邊緣，無法繼續(xù)使用。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)硬件組成

刀具監(jiān)控系統(tǒng)的硬件組成采用基于霍爾原理的電流采集單元，針對機(jī)床主軸和副主軸的驅(qū)動電機(jī)功率選定了合適的量程。

如圖2所示，電流互感器作為數(shù)據(jù)采集單元，采集主軸電機(jī)和副主軸電機(jī)的三相電流中的某一相作為參考對象。電流互感器輸出4～20 mA單端信號，進(jìn)入AD模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化形成數(shù)字量。AD模塊與觸摸屏工控一體機(jī)通過RS-485總線連接，工控觸摸屏讀取當(dāng)前數(shù)據(jù)并進(jìn)行畫圖。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

工控一體機(jī)與數(shù)控銑床（Computer Numerical Control，CNC）系統(tǒng)通過網(wǎng)線連接，讀取機(jī)床當(dāng)前的NC程序和刀具號，并與當(dāng)前的功率圖形進(jìn)行綁定，通過多次學(xué)習(xí)和測試形成一個區(qū)間。后續(xù)加工時，讀取到的實時功率與該區(qū)間在同等時間段的允許范圍進(jìn)行比較，當(dāng)超過允許區(qū)間后進(jìn)行報警，并通過IO端口控制機(jī)床三色燈報警，停止NC程序。

3.2 測試對象

此次測試的對象為津上自動車床BO385L。該臥車有兩個主軸——一個主軸和一個背面主軸。兩個主軸的額定功率分別為11 000 W和5 500 W，對應(yīng)的額定電流分別為50 A和25 A。圖3為伺服驅(qū)動器到電機(jī)的動力線纜，線纜直徑在8 mm左右。

圖3 伺服驅(qū)動器輸出線纜

為了準(zhǔn)確測量刀具加工時的電流信號，屏蔽掉如換刀、空走等對電流采集沒有意義的動作，需要對加工的NC程序進(jìn)行一定修改，在CNC系統(tǒng)中找出幾個備用的M代碼，將M代碼增加到NC程序的開頭，表示程序開始運(yùn)行的同步信號。根據(jù)該同步信號，采集系統(tǒng)開始進(jìn)入采集狀態(tài)，同時需要在刀具的加工過程前后增加一對M代碼，屏蔽掉換刀和空走等程序帶來的干擾數(shù)據(jù)，使采集的數(shù)據(jù)更加集中。

3.3 軟件實現(xiàn)

本監(jiān)測系統(tǒng)基于Windows平臺進(jìn)行測試。由于Windows系統(tǒng)本身的定時器無法做到精確定時，本系統(tǒng)通過獲取CPU的當(dāng)前工作頻率和CPU的計數(shù)等方法編寫了精確定時器，可以在幾毫秒精確定時。系統(tǒng)的監(jiān)控流程如圖4所示。

為了屏蔽掉部分干擾數(shù)據(jù)，對采集的原始數(shù)據(jù)增加了“中值濾波”和“均值濾波”等濾波算法，對加工過程中出現(xiàn)的斷刀、空加工等情況優(yōu)化了數(shù)據(jù)比較的方式。當(dāng)實際波形中連續(xù)一段時間一直超過參考圖形的上沿或是一直小于參考圖形的下沿時報警[11]。

圖4 系統(tǒng)的監(jiān)控流程

學(xué)習(xí)模式對數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，界面如圖5所示。學(xué)習(xí)多次后，根據(jù)設(shè)定的偏移量生成參考區(qū)間，其在監(jiān)控模式下的運(yùn)行情況如圖6所示。

圖5 學(xué)習(xí)模式曲線

圖6 監(jiān)測模式曲線

當(dāng)?shù)毒叱霈F(xiàn)異常如實際加工曲線超出了生成的參考區(qū)間時，系統(tǒng)發(fā)出報警，機(jī)床停止運(yùn)行，如圖7所示。此次異常的原因是工件松動脫落，導(dǎo)致主軸加工功率低于參考曲線。經(jīng)過一段時間的運(yùn)行，如果該刀具的壽命特征值大于預(yù)先建立的該號刀具的壽命特征值，則認(rèn)為該號刀具達(dá)到預(yù)期壽命，需要更換刀具。

圖7 異常曲線

4 結(jié)語

針對臥式車床走心機(jī)在加工過程中的刀具狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并對刀具壽命進(jìn)行預(yù)測實驗。實驗選擇機(jī)床主軸、副主軸電流信號作為刀具監(jiān)測信號，通過經(jīng)驗獲取實際加工曲線，對多組曲線利用并集計算生成參考區(qū)間，并利用K-近鄰算法根據(jù)樣本計算出刀具壽命到期的特征曲線，最后進(jìn)行實踐驗證，通過采集曲線與參考曲線的對比，判斷當(dāng)前的刀具運(yùn)行情況。此外，將刀具加工完一次后的曲線數(shù)據(jù)與計算出的該刀具壽命特征曲線進(jìn)行比對，判斷該刀具是否到達(dá)壽命。測試結(jié)果證明，該方法在解決刀具斷刀、崩刃、空運(yùn)行以及預(yù)測刀具壽命上有一定的效果，值得進(jìn)一步研究和推廣。