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刀具狀態監控技術在數控銑削加工中的應用--以 ARTIS 刀具監控係（xì）統為例

2024-9-18 來源（yuán）：貴州航空工業技師學院作者：周嫄

摘要：在數控銑削加工過程中，刀具會隨（suí）著使用頻次的增加以及時（shí）間的延長而出現磨損和斷裂的問題，這（zhè）會導致零件的（de）加工精度逐漸降低，容易導致零件出現質量問題，也會對機床產生損壞等不良影響。因此，重視對（duì）刀（dāo）具狀（zhuàng）態的（de）監測對於提升（shēng）銑削加工效果與質量非（fēi）常（cháng）重要。文（wén）章主要對刀具狀態監控技術展開研究，概述了刀具狀態監控技術的發（fā）展現狀（zhuàng）、實（shí）現原理和監控策略（luè），以 ARTIS 刀具監控係統為例，分析了刀具狀態監控技（jì）術在數控銑削（xuē）加工中的應用，並對該技術的發展前景進行了展望，以期推動數控銑削加工的效率與質量（liàng）的雙（shuāng）向提升。

關鍵詞：刀具狀態監控技術；ARTIS 刀（dāo）具（jù）監（jiān）控係統；數控銑削加工；傳感器

由於（yú）我（wǒ）國的航空結構件等零件的（de）複雜程度較高，而汽車等行業零件的複雜程度相對較低，在銑削加工過程中，在監控刀具狀態上主要是操作員根據聲音、振動等信息和經驗來進行判斷，而在這種刀具監（jiān）控狀態下需（xū）要（yào）投入大量的人力，同時刀具狀態監控的準確性會受到（dào）人為因素的影響。隨著時代的進步（bù）、科技的發展，數控銑削加工逐漸向現代化、智能化的方（fāng）向發展（zhǎn），那麽刀具狀態的監控也要逐漸（jiàn）向自動化、無人化的方向發（fā）展（zhǎn），逐步實現刀具的自動監控狀態，這樣能夠節省大量的人力，並在一定程度上能夠更好地提升刀具狀態監控的精確性。

1、刀具狀態（tài）監（jiān）控（kòng）技（jì）術概述

1.1 刀具狀態監（jiān）控技術的發展現（xiàn）狀

近年來，在零部件等的生產、加工過程中，為了能夠提升加工效率、降低加工成本，重視刀具的選擇（zé）與狀態的監控非常重要。為了能夠保（bǎo）障刀具發揮更好的狀態（tài），運用科學、恰當的控製理論、傳感技術、切削技術以及計算機處理技術等，能夠提升數控機床的信息化與智能化水平，其是零件加工水平提升必不可少的技術和內容。目前，國外在刀具監控係統的研發方麵，已經推行出 OMATIVE、ARTIS 等係統（tǒng），這（zhè）些（xiē）係統既（jì）能夠（gòu）監控（kòng）係統狀態，也能（néng）夠（gòu）對係統（tǒng）加工狀態進行學習和記錄（lù），並對機床及控（kòng）製係統（tǒng）發送指令進行操作，這些技術的應用效果非常顯著 [1]。

1.2 刀具狀態監控技術的實現原理

在監控刀具狀態（tài）時，其監控原理主要以采（cǎi）集、評價加工係統信號為主。在采集係（xì）統信號時，傳感器是主要的途徑與手段，通過製定科學、有效的適應策略來對加工信號進行評價。同時傳感器（qì）的靈敏度、分辨率等指標會對刀具監控效果（guǒ）產（chǎn）生直接性的影響。傳感器在獲得（dé）原始信號後需要進行濾波、調節與轉化成數字信號，將刀具狀態與數字信號進行關聯，從而實現刀具狀態的監控。

1.3 刀具狀態監控（kòng）技術的監控功能

按照刀（dāo）具狀（zhuàng）態監控係（xì）統（tǒng）軟、硬件以及加工工（gōng）藝條件的不（bú）同，將監控功能分為刀具壽命評價、模式（shì）識別、分段（duàn）閾值、固定閾值。

（1）刀具（jù）壽命評價主要通過構建振動、力等參數和刀具壽命關係模型，采集刀（dāo）具加（jiā）工過程中振（zhèn）動、力等信號（hào）來對刀具壽命進行評估，從而實現監控加工過程的目標。

（2）模式識別（bié）是實現刀具狀態（tài）監控的重（chóng）要功能之一，通過構建數據庫，將（jiāng）異常（cháng）加工狀態信（xìn）號（hào）進行收集、整理、對比與分析，能夠有效發揮出模式識別的監控（kòng）效果，實現監控目標。

（3）分段閾值主要是對加工過程進行（háng）分段分析，結合單個（gè）加工周期刀具路（lù）徑以及複雜（zá）多變（biàn）的（de）加工參數，將所采集的信號和相對應分段（duàn）閾值予（yǔ）以比較和分析，最終（zhōng）實現對加工係統監控的目（mù）標。

（4）固定閾值的功能主要采集（jí）加工係統的原始信號，結合初始信號的采集（jí）情況來對固定閾值予以設置和調整，經過信號與（yǔ）閾值的對比（bǐ）與分析，借（jiè）助固定閾值更易於（yú）實現刀具加工狀（zhuàng）態監控目標。

當前，常用的刀具狀態監控係統主（zhǔ）要有過載保護係統、集成刀具監控係統以（yǐ）及 ARTIS 刀具監控係（xì）統等，而（ér）應用最普（pǔ）遍的刀具狀態監控係統是 ARTIS 刀具（jù）監控係統，其商業化應用效果較（jiào）為顯著 [2]。

2、刀具狀態監控技術在數控銑削加工中的應（yīng）用—以 ARTIS 刀具監控係統為例

在數控銑削加工過程中，做好刀具（jù）狀態的監（jiān）控工作（zuò），能夠（gòu）減少不必要的變故和（hé）損失，能夠對數控銑削加工提供有效的保障，對於提升加工效（xiào）率與（yǔ）加工質量非常有利。文章主要對常用的 ARTIS 刀具監控係（xì）統進行研究與分（fèn）析，通過對其構成以及應（yīng）用展開分析，能夠對刀具狀態實施優化監控，對於提升刀（dāo）具（jù）使用效果和加工質量較為有利。

2.1 ARTIS 刀具監控係（xì）統的構成

2.1.1 信號監測係統

信號監測係統能夠對多種信號進行處理，如 VG4、 CFM-4、KU4、MU4、DTA 等信號。其中，VG4 信號主要在振蕩監測傳感器係統中使用；CFM-4 信號主（zhǔ）要在采集力信號的監測傳感器係統中使用；KU4 信號（hào）主要在采集結構傳播（bō）噪聲信號的監測傳感器係統中使用；MU4 信號主（zhǔ）要在采集（jí）功率信號監測傳感器係統中使用；DTA 信號主要用（yòng）於采集數控係統內的信號 [3]。

2.1.2 過程監測係統

過程監測係統（CTM）是 ARTIS 刀具監控係統的主要硬件之一。在監控刀具應用（yòng）狀態時，過（guò）程監測係統能夠對傳感器收集的所有信號予以處理，而後再將處理後的信號傳輸（shū）給機床進（jìn）行操（cāo）作和加工。在（zài）應用過程監測係統時，每個監測係（xì）統都有最大的檢測量，一般（bān）不超過 8 個（gè）軸，如果超過 8 個軸，需要（yào）擴展過程監測係統，這樣才（cái）能夠保證滿足刀具狀態監（jiān）測的需求。

一般情況下，ARTIS 都含有一個（gè） CTMVISU 接口軟件，該軟件能夠實現各（gè）類連接設置，也能夠設置零件加工的（de）監控參數，通過 PLV 信號即可控製機床，如遇故障能夠發出報警和提示 [4]。

2.1.3 傳（chuán）感器

在 ARTIS 刀具監控係統中，傳感器的（de）功能和性能涵蓋碰撞檢測、工作台受力監控、刀（dāo）具受力和扭矩監控、刀具位移（yí）監測、多軸監控、實際（jì）功率監測、冷卻液監控、聲發（fā）射監控以及振動監測等。碰撞監測利用三向加（jiā）速度傳感器對數控機床的銑削工作台進（jìn）行實時（shí）監測，以檢測刀具、夾具和工件之間是否發生碰（pèng）撞，響應速度（dù）非常快，能夠達到（dào）毫秒級別的精度。工作台受（shòu）力的方向和大小的監測通過工作台（tái）受力監控實現（xiàn），這對於監測的準確（què）性具有直接影響（xiǎng）。對於（yú）易損、易磨損的刀具以及加工（gōng）接觸區域較大的工件，采用扭矩（jǔ）信號監測可以（yǐ）實現對其進（jìn）行監測。采用高精度、高轉速（sù）加工時，主軸在高（gāo）速旋轉後由於熱膨脹（zhàng）可能會發生位移，因（yīn）此（cǐ）可以采用非（fēi）接觸式測量方法來監（jiān）測（cè）刀具的位移（yí）情況。

同時，為（wéi）了可靠（kào）地監（jiān）測刀具的故障、磨損等加工缺（quē）陷，需要進行多軸監控。為（wéi）了拓展刀具狀態監控係統的應用範（fàn）圍，可以使用霍爾傳感器對數控機床的銑削加工實際功率進行監測，從而擴大其應用範圍 [5]。

在數控機床銑削加工過程中，切削的雜質如果混（hún）入到冷卻液中，會導致冷卻液壓力出現下降，這會對數控機床銑削加工產（chǎn）生不良影響。通過在線監測冷卻循環係統（tǒng）的內壓力值，能夠最大（dà）化地保障冷（lěng）卻液功能的正常發揮。除此之外，振動（dòng）傳感器、聲發射傳感器的監測也都（dōu）非常重要。目前，現代加工的主軸轉速較快，刀（dāo）具容易出現失（shī）衡的問（wèn）題，這會（huì）導致刀具壽命和主軸壽命縮短，加工質量降低，如果將振動傳感器安裝到機床主軸上，可以通過振動信號來監（jiān）測刀具狀態。

通過將聲發（fā）射傳感器安裝到數控機床主軸上，可以通過對加工過程中寬波帶信號、高頻信號等進行采集，從而有效提升刀具狀態（tài）的監控效果 [6]。

2.2 數控銑削加工中 ARTIS 刀具監控係統的應用

在（zài）數控銑削過程中，要想高效地實現數控編程，就需（xū）要對所（suǒ）有的零件進行有效識別，識別零件後才能夠運用相應指（zhǐ）令進行調用。在數控前置程序中插入指令並寫入刀具信息，在後置處理時可（kě）以生成相應的（de）監控指令。將 ARTIS 刀具監控係（xì）統應用到數控銑（xǐ）削加工過程中（zhōng），ARTIS 係統可以優化加工工藝參數，是一種非常有效的（de）工具。將 ARTIS 係統與傳（chuán）統的切削振動監測和（hé）加工表麵質（zhì）量（liàng）觀察等（děng）加工工藝參數有效結合和運用，可以（yǐ）客觀判斷預評價（jià）刀具的加（jiā）工參數能（néng）夠對刀具的加工狀態進行監督，通過運用刀具監控係統的學習功能（néng）來對數控機床的加工（gōng）狀（zhuàng）態（tài）參數進行調整和（hé）優化，使得數控機床的工作效果更好，機床運行狀（zhuàng）態（tài）更（gèng）加穩定和高效。ARTIS 刀（dāo）具監（jiān）控係統能夠在標準狀態下以（yǐ）及過程狀態（tài）下對零件等的加（jiā）工情況進行實時監控，有（yǒu）利於提升各類零件加工有效性。

例如，在將刀具狀態監控係統應用到航空製造中時，鑒於飛機結構的複（fù）雜性，其零部件也非常多，那麽飛機所有零件的加工標準、精度與要求也（yě）相對較高，在加工時候也會（huì）遇（yù）到（dào）許多不可（kě）預見的問題。如果遇到非常複雜的零件結構時，那（nà）麽不能（néng）夠單一地運用一組監控（kòng）數（shù）據來確定零件的性質，這會導致刀具狀態監控的（de）結果不精準，並會大幅降低監控係統的科學性（xìng）。針對不同零件的加工過程，在監控過程中如果使（shǐ）用一（yī）組統一的參數來監控，監控精準（zhǔn）度和針對（duì）性都較低，很難實現刀具狀態監控的目標（biāo）。因此，在設置監控參（cān）數時（shí），需要結合零（líng）件（jiàn）的差異化特征製定不同的加工方案，並設計相應的監控參數，以提升數控銑削加工零件的效果，並確保刀具發揮其最佳（jiā）作用和價值 [7]。為（wéi）了能夠對上述問題（tí）進行更好地優化與解決，刀具狀態監控係統要結合零件結構的實際特征，運用（yòng）不同類別的監控方案或者方法，通過對不同加（jiā）工方案的學習與積累，在監控刀具狀態時（shí）能夠更加遊刃（rèn）有餘、靈活多變。

在運用 ARTIS 係統進行數控銑削加工時，為了獲（huò）得合適的加工監控參數，需要（yào）基於大量數據，結（jié）合（hé）不同刀具、不同特征和不同加工模式來進行加工參數調整，操作（zuò）人員也需要全麵了解和（hé）掌握作業規範，保證能夠及時、正確地處理 ARTIS 係統的（de）監（jiān）控報警，以提升數控銑削（xuē）加（jiā）工的實效性、科學性和（hé）質（zhì）量水平（píng）的智能化 [8]。

3、刀具狀態監控技術的發展方向

3.1 傳感器進一步優化

在數控銑削加工過程中，刀具狀態（tài）監控技術的（de）應用是一個關鍵領域。通常，各類（lèi）有線的傳感器會被固定（dìng）到機械加工機床的主（zhǔ）軸、工作台以及工件的表麵上，這些有線的傳感器主要用於采集與（yǔ）感知設備信號。如超聲波傳感器、測力儀以及加速度（dù）傳感器等，這些（xiē）有線的傳感器在信號的采集過程中（zhōng），由於安裝位置與信號采集（jí）區域（yù）的距離相（xiàng）對較遠，不（bú）利於信號采集效率的提高，因此（cǐ），在當今乃至未（wèi）來的機（jī）械加工領域中，有線的傳感器會（huì）逐漸（jiàn）被（bèi）淘汰，而內嵌傳感器到刀具或刀柄上是未來研究的重要方向。一旦成功研究並應用，將具有顯著的（de）應用（yòng）價值，能夠實（shí）現更理想的刀具狀態監控效果（guǒ） [9]。

3.2 應用機器視覺技術（shù）

隨著時代的進步和科技的發展，製造業正（zhèng）逐漸向更智（zhì）能、更柔性（xìng）、更精密和更高速的（de）方向發展和演變。機器視覺技術是推（tuī）動製造業快速向智能化轉（zhuǎn）變的重要技術和工具，通過對刀（dāo）具幾何參數的監（jiān）測，對刀具磨損情況、程度以及應用狀態的監測與反饋，能夠更好地規避傳統監測技術耗時長、誤差大（dà）等問題。如果積極研究和利（lì）用（yòng）機器（qì）視覺技術，可以通過非接觸方式檢測刀具的幾何參數來提高係統的效率和（hé）精度，對於（yú）提升效果非常有利。

當前，加工工件的紋理會受到刀具磨損度、加工方式的直（zhí）接影響，同時工件的切屑形（xíng）態也會受到不同程度的影響。因此，在應用機器視（shì）覺技術（shù）來監測（cè）刀具狀態方麵（miàn），仍然需要重點研究和關注刀具磨損和破損的（de）檢測。這是推動（dòng）數控銑削加工效果和水平雙向提升的重要技術，值得（dé）進（jìn）一步研究和實（shí）踐 [10]。

4、結束語

綜上（shàng）所述，刀具的磨（mó）損程（chéng）度、應用狀態等都（dōu）會對數控銑削加工（gōng）的結果（guǒ）產生直接性影響，為了能夠有效提（tí）升數控銑削加工效率與質量，重視刀具狀態監控技術（shù）的應用非常必要（yào）且迫切。因此，做好刀具狀態監控技術的研究（jiū）與（yǔ）科學（xué）應（yīng）用，科學、恰當地（dì）應用到數控銑削加工過程中，對於（yú）提（tí）升製造業的發展水平非常有利。

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