劉本剛，王富強，張云鵬，潘高楊，劉 剛

(沈陽飛機工業(yè)(集團)有限公司，遼寧 沈陽 110850)

0 引言

對于航空結構件數(shù)控加工，尤其是鑄件加工，毛坯狀態(tài)不穩(wěn)定(尺寸偏差大)，通常材料去除率高，精鑄件雖然材料去除率小，但加工過程不穩(wěn)定易產(chǎn)生變形。為滿足鑄件高效加工要求，通常將其加工工藝設定為三個工序，即以大去除率為目標的粗加工、以高效率為目標的半精加工和以高表面質(zhì)量為目標的精加工，不同工序對刀具性能、機床運行狀態(tài)、冷卻條件等要求不同。如粗加工過程刀具磨損嚴重、切削量大，因此導致切削過程不穩(wěn)定、機床抖動明顯，為保障刀具使用壽命需采用大流量切削液對切削區(qū)域潤滑冷卻[1，2]。半精加工過程需要統(tǒng)籌考慮加工效率和加工精度，通常切削量較小，由于切削后結構剛性變差，加工過程易變形，因此要求加工過程相對穩(wěn)定。精加工過程切削量很小，為保證零件表面加工質(zhì)量，必須首先保證加工過程盡可能地平穩(wěn)過渡。因此，針對鑄件加工過程進行監(jiān)控，及時有效發(fā)現(xiàn)加工過程中的異常不穩(wěn)定狀態(tài)并進行響應，對保障鑄件加工品質(zhì)和數(shù)控機床設備安全、支撐航空結構件高效加工具有積極意義。

1 傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的特點及存在問題

傳統(tǒng)數(shù)控機床監(jiān)控系統(tǒng)由傳感器、采集卡、通信系統(tǒng)及軟件模塊等組成，通過傳感器實時監(jiān)測切削功率、主軸電機電流、主軸電機溫度、機床振動等變量，允許用戶為上述變量設定閾值，當超出閾值后機床觸發(fā)相關動作。為滿足實際加工需求，往往需要為某個變量設定多個閾值，在一個程序內(nèi)閾值是固定不變的，也就是說為適應不同工序加工程序的實際加工狀態(tài)或條件，在加工程序執(zhí)行前需要事先人工激活該加工程序對應的閾值，然后在加工過程中實時監(jiān)測加工狀態(tài)(變量)是否超過為本工序設定的閾值，若被監(jiān)控的任一變量超過閾值，將執(zhí)行相應策略以最大限度保護零件免于損傷和保障設備安全。如為某粗加工工序設定切削功率、主軸電流等閾值并在該工序加工程序啟動前激活，則在該工序加工過程中控制系統(tǒng)會實時監(jiān)測功率、電流等變量，若監(jiān)測到任一時刻切削功率瞬時超過閾值，則認為該工序加工時切削功率異常(通常是切削量過大或切削工裝、壓板以及碰撞等)，系統(tǒng)會按照事先確定的控制邏輯立即停止進給或停機等。再如，當執(zhí)行某精加工程序前，激活為該精加工事先設定的閾值，在該精加工程序加工過程中若監(jiān)測到切削功率瞬時超過閾值，認為該工序加工時切削狀態(tài)異常，系統(tǒng)將立即執(zhí)行相應的策略。同理，其他溫度、振動等變量類似，首先為具體工序設定對應變量的閾值，在具體工序加工程序啟動前，先激活設定的閾值，然后控制系統(tǒng)在加工程序執(zhí)行過程中實時監(jiān)測上述變量是否超出閾值，若超出閾值立即啟動相應策略；反之，繼續(xù)加工。需要指出的是傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)閾值是在實際加工經(jīng)驗基礎上為每個加工程序不同被監(jiān)控變量設定的固定值，一般是以程序加工過程中變量最大值的倍數(shù)確定的，由于鑄件加工通常不是定量切削，加工過程中不同時刻被監(jiān)控變量值是不斷變化的，因此基于固定標準值的異常診斷難以滿足實際動態(tài)加工的需求。

傳統(tǒng)方式雖然提供了機床加工過程狀態(tài)監(jiān)控功能，但存在以下問題：

(1) 需要人工為每個工序程序設定閾值，該閾值是在零件試切合格時變量的變化區(qū)間基礎上，結合經(jīng)驗反復確定的固定值，在一個加工程序執(zhí)行過程中不隨切削參數(shù)變化而變化，難以適用于多品種、復雜工況零件加工，尤其是鑄件的加工。

(2) 上述設定的閾值一般是以程序加工過程中變量最大值的倍數(shù)確定的，由于鑄件加工通常不是定量切削，加工過程中切削參數(shù)不斷變化，不同時刻因切削參數(shù)和工況變化，導致被監(jiān)控變量是不斷變化的，因此基于固定標準值的異常診斷難以滿足實際動態(tài)加工的需求。如鉆孔時的主軸異常抖動，由于鉆孔切削參數(shù)小，該異常遠未達到該工序程序其他銑削過程被監(jiān)控變量的最大響應，此時監(jiān)控系統(tǒng)不能識別該異常，則會允許繼續(xù)加工，這樣就可能導致孔加工超差或破壞。

(3) 傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)若要生效，僅設定閾值是不夠的，還需要在具體加工程序啟動前手動確認并激活事先為該工序設定的閾值。對于多品種、多工況復雜的鑄件加工，不但增加了操作人員的工作壓力、影響加工效率，而且一旦未激活或激活了為其他工序設定的閾值，輕則導致頻繁誤報警和誤動作，嚴重時可能因未起到異常監(jiān)控作用而導致零件報廢或機床損壞，造成經(jīng)濟損失，延誤生產(chǎn)計劃。

(4) 傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)并不面向加工工藝，不能反映工藝特點，而僅僅是提供基本的數(shù)據(jù)監(jiān)視功能，因此很難滿足和適應特殊加工需求。如毛坯鑄造尺寸不穩(wěn)定導致初始加工時切削狀態(tài)差異較大，這種情況下如何可靠辨識切削狀態(tài)是否異常，并降低誤診斷率是現(xiàn)有傳統(tǒng)監(jiān)控方法難以解決的問題。

(5) 傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)通常需要額外安裝傳感器，如振動、電流、功率、流量等傳感器。

2 面向鑄件高效加工的監(jiān)控系統(tǒng)

本文設計了一種基于數(shù)控系統(tǒng)的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)，可有效解決現(xiàn)有零件加工過程監(jiān)控系統(tǒng)閾值設定單一、難以適應多品種多工序復雜零件加工過程監(jiān)控需求，尤其是無法針對不同加工程序自動匹配所適用的偏置曲線，對復雜鑄件加工過程實時評估能力不足等問題，從而提高鑄件高效加工過程的狀態(tài)監(jiān)控和評估能力，消除安全生產(chǎn)隱患。

2.1 技術方案

本系統(tǒng)將切削功率和切削液流量作為被控變量(根據(jù)需要可以增加主軸電機電流、溫度等作為監(jiān)控變量)，通過實時監(jiān)測被控變量值的變化范圍評估加工過程狀態(tài)是否異常，并通過調(diào)整機床進給速度、主軸轉速、切削液流量等策略對加工過程中的異常情況進行響應。具體方案如下：

(1) 開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，包括數(shù)據(jù)實時讀寫與訂閱模塊、程序管理模塊、主軸狀態(tài)模塊、視圖管理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊等。

(2) 數(shù)據(jù)實時讀寫與訂閱模塊能夠與機床數(shù)控系統(tǒng)交互，實時獲取加工過程中監(jiān)控系統(tǒng)所需的數(shù)控系統(tǒng)變量值(包括當前執(zhí)行程序信息、被控變量、系統(tǒng)時間等)，并可設定被控變量采樣周期T(默認100 ms)。

(3) 待機床加工程序啟動后，程序管理模塊記錄當前執(zhí)行的程序名、程序段序號及系統(tǒng)時間等，主軸狀態(tài)模塊負責實時記錄并顯示被控變量值，數(shù)據(jù)管理模塊自動將記錄的數(shù)據(jù)保存在以當前程序名命名的文件中。

(4) 在視圖管理模塊中將試切合格的零件加工過程中保存的被控變量數(shù)據(jù)作為本加工程序的基準數(shù)據(jù)。

(5) 設d1是基準數(shù)據(jù)曲線的包絡線2與上偏差曲線4的偏差值，可以理解為是實際監(jiān)控過程中上偏差曲線容許的偏差值。同理，d2是基準數(shù)據(jù)曲線的包絡線3與下偏差曲線7的偏差值，可以理解為是實際監(jiān)控過程中下偏差曲線容許的偏差值。設定偏置參數(shù)d1、d2，視圖管理模塊將在基準數(shù)據(jù)生成的包絡線上下分別整體偏置d1、d2后獲得偏置曲線的上偏差曲線和下偏差曲線，上、下偏差曲線之間的區(qū)域認定為本程序再次執(zhí)行時被控變量正常的變化區(qū)間，若一旦被控變量超出偏置曲線，并持續(xù)在t0的時間內(nèi)單向超出偏置曲線(如超出上偏差曲線)將被視為加工狀態(tài)異常并觸發(fā)異常響應。若在t1時間內(nèi)雙向超過偏置曲線(反復超出上、下偏差曲線)N次，也被視為異常并觸發(fā)異常響應。

(6) 在視圖管理模塊中自動對零件每個程序的所有加工工序設定偏置曲線后，在后續(xù)零件加工時，視圖管理模塊會根據(jù)程序名、程序段序號等自動匹配偏置曲線并實時監(jiān)控加工過程。

(7) 若發(fā)生異常狀態(tài)誤診斷，只需人工確認繼續(xù)執(zhí)行程序，視圖管理模塊在下次調(diào)用該加工程序前，將會自動調(diào)整該程序段范圍內(nèi)的偏置曲線，增大該被控變量在本程度段內(nèi)允許的波動范圍，將誤診斷時被控變量的值納入到偏置曲線之內(nèi)。

(8) 視圖管理模塊監(jiān)測到加工過程狀態(tài)異常時，通過數(shù)據(jù)實時讀取與訂閱模塊觸發(fā)異常響應從而改變機床運行狀態(tài)，如停止進給、降低切削速度、提示校正偏置曲線等。

2.2 基于SINUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)

圖1為監(jiān)控系統(tǒng)功能框架。在視圖管理模塊中，監(jiān)控系統(tǒng)會將數(shù)據(jù)管理模塊記錄的某合格零件加工的歷史數(shù)據(jù)(如切削功率)作為基準數(shù)據(jù)1，并自動生成基準數(shù)據(jù)曲線的包絡線2、3，根據(jù)設定的偏置d1、d2，通過偏置包絡線2、3獲得實際零件加工過程監(jiān)控所需的偏置曲線，包括上偏差曲線4和下偏差曲線7，從而在零件加工過程中實時監(jiān)測被控變量是否超出偏置曲線，以此來判斷加工過程是否異常并執(zhí)行相應策略。狀態(tài)監(jiān)控偏置曲線生成過程如圖2所示。

監(jiān)控系統(tǒng)嵌入機床數(shù)控系統(tǒng)HMI界面中(本文中以SINUMERIK840D數(shù)控系統(tǒng)為例)，其監(jiān)控手段采用本領域技術人員的常規(guī)設計方法，具體如下：

(1) 基于840D數(shù)控系統(tǒng)提供的HMI二次開發(fā)框架[3]，開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)模塊及功能。

(2) 開發(fā)實時數(shù)據(jù)讀寫與訂閱模塊實時讀取機床當前執(zhí)行的程序信息、系統(tǒng)時間、切削功率、切削液流量，并能夠根據(jù)異常相應策略將數(shù)據(jù)寫入系統(tǒng)變量，如機床進給停、增加切削液流量等控制指令及數(shù)據(jù)。

(3) 準備零件試切。在零件每個加工程序執(zhí)行過程中，程序管理模塊記錄程序名、程序段序號及系統(tǒng)時間，主軸狀態(tài)模塊記錄切削功率和切削液流量，數(shù)據(jù)管理模塊將實時記錄的數(shù)據(jù)保存在以當前程序名命名的本地文件中，數(shù)據(jù)保存格式為：程序段序號+切削功率+切削液流量+系統(tǒng)時間。

(4) 選擇試切合格的零件程序加工過程中記錄的文件作為基準數(shù)據(jù)，零件每個子加工程序對應一個基準數(shù)據(jù)。如子加工程序1對應切削功率基準曲線1，視圖模塊將根據(jù)偏置設定值d1、d2,自動將基準曲線1的包絡線整體偏置后生成偏置曲線，偏置曲線包括上偏差曲線4和下偏差曲線7。該上、下偏差曲線4、7上的點就是該類零件正式加工過程中切削功率的閾值。按照上述步驟，設定該零件所有子程序切削功率及切削液流量的偏置曲線。

(5) 根據(jù)零件加工工序特點設定偏置參數(shù)d1、d2，如粗加工程序執(zhí)行過程穩(wěn)定性差、功率波動大，因此d1、d2要適當增大；半精加工程序對應的參數(shù)設定次之；而精加工程序執(zhí)行過程穩(wěn)定性要求高，d1、d2設定要小。同時d1、d2的設定還要考慮操作使用經(jīng)驗和機床性能，因此在實際使用中可以通過首次設定較大的d1、d2，以減小實際正常加工中切削功率及切削液流量超出偏差曲線導致的誤報警，在此基礎上通過該零件多個批次加工，逐步校正d1、d2的合理取值。

1-監(jiān)控系統(tǒng)；2-程序管理模塊；3-數(shù)據(jù)實時讀寫與訂閱模塊；4-主軸狀態(tài)模塊；5-視圖管理模塊；6-數(shù)據(jù)管理模塊；7-數(shù)控系統(tǒng)變量接口模塊

(6) 設定某零件加工程序n的偏置曲線后，在后續(xù)該零件加工過程中若執(zhí)行程序n時視圖管理模塊會自動根據(jù)程序號、程序段序號匹配與程序n對應的偏置曲線，并實時監(jiān)控切削功率和切削液流量。若一旦切削功率或切削液流量超出偏置曲線，并持續(xù)在1 s內(nèi)單向超出偏置曲線，超調(diào)量達到偏置曲線設定點的40%(如超出上偏差曲線)將被視為加工狀態(tài)異常并立即使機床停止進給。若在2 s內(nèi)雙向超過偏置曲線，超調(diào)量達到偏置曲線設定點的60%(反復超出上、下偏差曲線)超過10次，也被視為異常并觸發(fā)異常響應。

(7) 若誤報警，在確認繼續(xù)加工指令后，視圖管理模塊將在下次調(diào)用該加工程序前，自動調(diào)整該程序段范圍內(nèi)的偏置曲線，增大該被控變量在本程度段內(nèi)允許的波動范圍，將誤診斷時切削功率或切削液流量的值納入到偏置曲線之內(nèi)。

1-基準數(shù)據(jù)；2，3-基準數(shù)據(jù)曲線的包絡線；4-上偏差曲線；7-下偏差曲線；5，6-閾值曲線

3 小結

本文提出的方法及系統(tǒng)可以滿足鑄件高效加工過程狀態(tài)實時監(jiān)控的特殊需求，并提升鑄件加工過程中的狀態(tài)監(jiān)控水平和異常響應能力，最大限度保證產(chǎn)品加工質(zhì)量和機床運行安全，助力實現(xiàn)產(chǎn)品精益生產(chǎn)和過程精準控制。