刀具狀態監控技術在數控銑削加工中的應用--以 ARTIS 刀具監控系統為例
2024-9-18 來源：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，刀具會隨著使用頻次的增加以及時間的延長而出現磨損和斷裂的問題，這會導致零件的加工精度逐漸降低，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，重視對刀具狀態的監測對于提升銑削加工效果與質量非常重要。文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展現狀、實現原理和監控策略，以 ARTIS 刀具監控系統為例，分析了刀具狀態監控技術在數控銑削加工中的應用，并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的雙向提升。
關鍵詞：刀具狀態監控技術；ARTIS 刀具監控系統；數控銑削加工；傳感器
由于我國的航空結構件等零件的復雜程度較高，而汽車等行業零件的復雜程度相對較低，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，而在這種刀具監控狀態下需要投入大量的人力，同時刀具狀態監控的準確性會受到人為因素的影響。隨著時代的進步、科技的發展，數控銑削加工逐漸向現代化、智能化的方向發展，那么刀具狀態的監控也要逐漸向自動化、無人化的方向發展，逐步實現刀具的自動監控狀態，這樣能夠節省大量的人力，并在一定程度上能夠更好地提升刀具狀態監控的精確性。
1、刀具狀態監控技術概述
1.1 刀具狀態監控技術的發展現狀
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，重視刀具的選擇與狀態的監控非常重要。為了能夠保障刀具發揮更好的狀態，運用科學、恰當的控制理論、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，國外在刀具監控系統的研發方面，已經推行出 OMATIVE、ARTIS 等系統，這些系統既能夠監控系統狀態，也能夠對系統加工狀態進行學習和記錄，并對機床及控制系統發送指令進行操作，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
在監控刀具狀態時，其監控原理主要以采集、評價加工系統信號為主。在采集系統信號時，傳感器是主要的途徑與手段，通過制定科學、有效的適應策略來對加工信號進行評價。同時傳感器的靈敏度、分辨率等指標會對刀具監控效果產生直接性的影響。傳感器在獲得原始信號后需要進行濾波、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 刀具狀態監控技術的監控功能
按照刀具狀態監控系統軟、硬件以及加工工藝條件的不同，將監控功能分為刀具壽命評價、模式識別、分段閾值、固定閾值。
（1）刀具壽命評價主要通過構建振動、力等參數和刀具壽命關系模型，采集刀具加工過程中振動、力等信號來對刀具壽命進行評估，從而實現監控加工過程的目標。
（2）模式識別是實現刀具狀態監控的重要功能之一，通過構建數據庫，將異常加工狀態信號進行收集、整理、對比與分析，能夠有效發揮出模式識別的監控效果，實現監控目標。
（3）分段閾值主要是對加工過程進行分段分析，結合單個加工周期刀具路徑以及復雜多變的加工參數，將所采集的信號和相對應分段閾值予以比較和分析，最終實現對加工系統監控的目標。
（4）固定閾值的功能主要采集加工系統的原始信號，結合初始信號的采集情況來對固定閾值予以設置和調整，經過信號與閾值的對比與分析，借助固定閾值更易于實現刀具加工狀態監控目標。
當前，常用的刀具狀態監控系統主要有過載保護系統、集成刀具監控系統以及 ARTIS 刀具監控系統等，而應用最普遍的刀具狀態監控系統是 ARTIS 刀具監控系統，其商業化應用效果較為顯著 [2]。
2、刀具狀態監控技術在數控銑削加工中的應用—以 ARTIS 刀具監控系統為例
在數控銑削加工過程中，做好刀具狀態的監控工作，能夠減少不必要的變故和損失，能夠對數控銑削加工提供有效的保障，對于提升加工效率與加工質量非常有利。文章主要對常用的 ARTIS 刀具監控系統進行研究與分析，通過對其構成以及應用展開分析，能夠對刀具狀態實施優化監控，對于提升刀具使用效果和加工質量較為有利。
2.1 ARTIS 刀具監控系統的構成
2.1.1 信號監測系統
信號監測系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系統中使用；CFM-4 信號主要在采集力信號的監測傳感器系統中使用；KU4 信號主要在采集結構傳播噪聲信號的監測傳感器系統中使用；MU4 信號主要在采集功率信號監測傳感器系統中使用；DTA 信號主要用于采集數控系統內的信號 [3]。
2.1.2 過程監測系統
過程監測系統（CTM）是 ARTIS 刀具監控系統的主要硬件之一。在監控刀具應用狀態時，過程監測系統能夠對傳感器收集的所有信號予以處理，而后再將處理后的信號傳輸給機床進行操作和加工。在應用過程監測系統時，每個監測系統都有最大的檢測量，一般不超過 8 個軸，如果超過 8 個軸，需要擴展過程監測系統，這樣才能夠保證滿足刀具狀態監測的需求。
一般情況下，ARTIS 都含有一個 CTMVISU 接口軟件，該軟件能夠實現各類連接設置，也能夠設置零件加工的監控參數，通過 PLV 信號即可控制機床，如遇故障能夠發出報警和提示 [4]。
2.1.3 傳感器
在 ARTIS 刀具監控系統中，傳感器的功能和性能涵蓋碰撞檢測、工作臺受力監控、刀具受力和扭矩監控、刀具位移監測、多軸監控、實際功率監測、冷卻液監控、聲發射監控以及振動監測等。碰撞監測利用三向加速度傳感器對數控機床的銑削工作臺進行實時監測，以檢測刀具、夾具和工件之間是否發生碰撞，響應速度非常快，能夠達到毫秒級別的精度。工作臺受力的方向和大小的監測通過工作臺受力監控實現，這對于監測的準確性具有直接影響。對于易損、易磨損的刀具以及加工接觸區域較大的工件，采用扭矩信號監測可以實現對其進行監測。采用高精度、高轉速加工時，主軸在高速旋轉后由于熱膨脹可能會發生位移，因此可以采用非接觸式測量方法來監測刀具的位移情況。
同時，為了可靠地監測刀具的故障、磨損等加工缺陷，需要進行多軸監控。為了拓展刀具狀態監控系統的應用范圍，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，從而擴大其應用范圍 [5]。
在數控機床銑削加工過程中，切削的雜質如果混入到冷卻液中，會導致冷卻液壓力出現下降，這會對數控機床銑削加工產生不良影響。通過在線監測冷卻循環系統的內壓力值，能夠最大化地保障冷卻液功能的正常發揮。除此之外，振動傳感器、聲發射傳感器的監測也都非常重要。目前，現代加工的主軸轉速較快，刀具容易出現失衡的問題，這會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測刀具狀態。
通過將聲發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的監控效果 [6]。
2.2 數控銑削加工中 ARTIS 刀具監控系統的應用
在數控銑削過程中，要想高效地實現數控編程，就需要對所有的零件進行有效識別，識別零件后才能夠運用相應指令進行調用。在數控前置程序中插入指令并寫入刀具信息，在后置處理時可以生成相應的監控指令。將 ARTIS 刀具監控系統應用到數控銑削加工過程中，ARTIS 系統可以優化加工工藝參數，是一種非常有效的工具。將 ARTIS 系統與傳統的切削振動監測和加工表面質量觀察等加工工藝參數有效結合和運用，可以客觀判斷預評價刀具的加工參數能夠對刀具的加工狀態進行監督，通過運用刀具監控系統的學習功能來對數控機床的加工狀態參數進行調整和優化，使得數控機床的工作效果更好，機床運行狀態更加穩定和高效。ARTIS 刀具監控系統能夠在標準狀態下以及過程狀態下對零件等的加工情況進行實時監控，有利于提升各類零件加工有效性。
例如，在將刀具狀態監控系統應用到航空制造中時，鑒于飛機結構的復雜性，其零部件也非常多，那么飛機所有零件的加工標準、精度與要求也相對較高，在加工時候也會遇到許多不可預見的問題。如果遇到非常復雜的零件結構時，那么不能夠單一地運用一組監控數據來確定零件的性質，這會導致刀具狀態監控的結果不精準，并會大幅降低監控系統的科學性。針對不同零件的加工過程，在監控過程中如果使用一組統一的參數來監控，監控精準度和針對性都較低，很難實現刀具狀態監控的目標。因此，在設置監控參數時，需要結合零件的差異化特征制定不同的加工方案，并設計相應的監控參數，以提升數控銑削加工零件的效果，并確保刀具發揮其最佳作用和價值 [7]。為了能夠對上述問題進行更好地優化與解決，刀具狀態監控系統要結合零件結構的實際特征，運用不同類別的監控方案或者方法，通過對不同加工方案的學習與積累，在監控刀具狀態時能夠更加游刃有余、靈活多變。
在運用 ARTIS 系統進行數控銑削加工時，為了獲得合適的加工監控參數，需要基于大量數據，結合不同刀具、不同特征和不同加工模式來進行加工參數調整，操作人員也需要全面了解和掌握作業規范，保證能夠及時、正確地處理 ARTIS 系統的監控報警，以提升數控銑削加工的實效性、科學性和質量水平的智能化 [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，刀具狀態監控技術的應用是一個關鍵領域。通常，各類有線的傳感器會被固定到機械加工機床的主軸、工作臺以及工件的表面上，這些有線的傳感器主要用于采集與感知設備信號。如超聲波傳感器、測力儀以及加速度傳感器等，這些有線的傳感器在信號的采集過程中，由于安裝位置與信號采集區域的距離相對較遠，不利于信號采集效率的提高，因此，在當今乃至未來的機械加工領域中，有線的傳感器會逐漸被淘汰，而內嵌傳感器到刀具或刀柄上是未來研究的重要方向。一旦成功研究并應用，將具有顯著的應用價值，能夠實現更理想的刀具狀態監控效果 [9]。
3.2 應用機器視覺技術
隨著時代的進步和科技的發展，制造業正逐漸向更智能、更柔性、更精密和更高速的方向發展和演變。機器視覺技術是推動制造業快速向智能化轉變的重要技術和工具，通過對刀具幾何參數的監測，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、誤差大等問題。如果積極研究和利用機器視覺技術，可以通過非接觸方式檢測刀具的幾何參數來提高系統的效率和精度，對于提升效果非常有利。
當前，加工工件的紋理會受到刀具磨損度、加工方式的直接影響，同時工件的切屑形態也會受到不同程度的影響。因此，在應用機器視覺技術來監測刀具狀態方面，仍然需要重點研究和關注刀具磨損和破損的檢測。這是推動數控銑削加工效果和水平雙向提升的重要技術，值得進一步研究和實踐 [10]。
4、結束語
綜上所述，刀具的磨損程度、應用狀態等都會對數控銑削加工的結果產生直接性影響，為了能夠有效提升數控銑削加工效率與質量，重視刀具狀態監控技術的應用非常必要且迫切。因此，做好刀具狀態監控技術的研究與科學應用，科學、恰當地應用到數控銑削加工過程中，對于提升制造業的發展水平非常有利。
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