隨著制造業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，國內(nèi)航空制造領(lǐng)域?qū)μ岣唠y加工材料工件加工效率和加工質(zhì)量的要求也越來越高。數(shù)控加工中，因各種原因發(fā)生的刀具磨損、刀具斷裂、主軸碰撞等故障都會對正在加工的工件甚至機床本身造成損壞。由于難加工材料工件加工成本高，加工周期長，加工難度大，如果在加工過程中由于刀具或機床碰撞等原因?qū)ぜ斐蓳p壞，其損失將會很大。因此對用于難加工材料工件的數(shù)控機床進(jìn)行刀具和運行狀態(tài)的實時監(jiān)控，是目前國內(nèi)制造加工領(lǐng)域巫待解決的一個重要問題。

　　德國ARTIS刀具監(jiān)控系統(tǒng)是對機床加工過程中刀具磨損或斷刀、主軸碰撞等機床狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控的一套監(jiān)控系統(tǒng)，在國外使用較多，在國內(nèi)大型數(shù)控機床，特別是用于難加工材料工件加工的數(shù)控機床上鮮有應(yīng)用。本文以自主研發(fā)的某型號大型數(shù)控機床為例，介紹通過對ARTIS刀具監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用和開發(fā)設(shè)計，實現(xiàn)對機床刀具狀態(tài)和加工過程的實時監(jiān)控。

　　該型號大型數(shù)控機床為五坐標(biāo)數(shù)控機床，龍門移動結(jié)構(gòu)，X,Y,Z,A,B五軸聯(lián)動，機床主軸為四檔機械主軸，最高轉(zhuǎn)速達(dá)6 000 r/min，具有主軸功率大、扭矩大、變速范圍大、轉(zhuǎn)速高等特點，適用于由難加工材料制成的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高的大型整體結(jié)構(gòu)件的加工。機床配置西門子SINUMERIK 840D Power line數(shù)控系統(tǒng)，SIMODRIVE 611 D全數(shù)字交流伺服驅(qū)動及伺服電動機。為保證加工質(zhì)量，提高加工效率，有必要應(yīng)用ARTIS監(jiān)控系統(tǒng)對機床刀具工作狀態(tài)、碰撞、主軸振動、加工過載等進(jìn)行實時監(jiān)控。

1 機床及ARTIS系統(tǒng)配置

　　ARTIS系統(tǒng)是適用于機床制造商對機床刀具及工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控的一套系統(tǒng)。機床制造商通過配置專用傳感器及配套模塊，根據(jù)機床結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳感器安裝和硬件連接，配合進(jìn)行相關(guān)軟件設(shè)計，即可實現(xiàn)根據(jù)監(jiān)控信號的特征值，對鉆、銑、攻絲等加工過程中的斷刀、缺刀、刀具磨損、碰撞、加工過載、刀具不平衡等進(jìn)行實時監(jiān)控，監(jiān)控結(jié)果可記錄在日志文件中，也可在機床數(shù)控系統(tǒng)的人機頁面上顯示。

　　(1)數(shù)控機床配置

　　SIEMENS PCU50；SIMODRIVE 611D；WINDOWSXP操作系統(tǒng)；Pr0脅us總線接口；SIEMENS 840D NCU軟件版本不低于6.4；SIEMENS 840D系統(tǒng)具備在線刀具監(jiān)測、自適應(yīng)控制等選項功能。

　　(2)ARTIS系統(tǒng)硬件
CTM卡：ARTIs監(jiān)控系統(tǒng)的核心部件，CTM卡安裝在PCU50的PCI插槽中。

　　VA-1或VA-2：振動傳感器，安裝在機械主軸上，用于監(jiān)控主軸狀態(tài)，建議安裝在主軸軸承端面。

　　VG-4：振動傳感器信號轉(zhuǎn)換模塊，可接2個傳感器，這臺機床為單主軸，僅使用1個傳感器。根據(jù)傳感器電纜長度，將VG-4固定安裝在機床合適位置。

　　(3)ARTIS系統(tǒng)軟件

　　ARTIS系統(tǒng)監(jiān)控軟件：用于監(jiān)控過程處理、統(tǒng)計等功能，集成在CTM卡中。

　　CTMVISU：ARTIS監(jiān)控系統(tǒng)可視化軟件，安裝到PCU50中，將采集到的信號通過不同通道實時顯示。

　　DTA：集成在cTM卡上的選項功能，通過Profibus總線將機床數(shù)字扭矩數(shù)據(jù)輸出到CTM系統(tǒng)。

2 ARTIS監(jiān)控系統(tǒng)功能開發(fā)應(yīng)用
　　2.1初始定義

　　(1)通道定義和監(jiān)控界面調(diào)用

　　ARTIS CTM卡提供4個獨立監(jiān)控通道，這臺數(shù)控機床只使用2個通道，第一通道分配為機床狀態(tài)監(jiān)控(DTA)，監(jiān)控信息為從Profibus總線采集的電動機扭矩信號；第二通道分配為主軸碰撞監(jiān)控(VG4)，監(jiān)控信息為經(jīng)過VG-4轉(zhuǎn)換的振動信號。

　　ARTIs cTM功能需集成在SIEMENS系統(tǒng)中，為方便用戶使用ARTIs監(jiān)控系統(tǒng)，選擇一個sIEMENsHMI(SIEMENs人機界面)軟件鍵進(jìn)行編程，用軟件鍵來調(diào)用監(jiān)控系統(tǒng)頁面。

　　(2)定義M功能

　　根據(jù)這臺數(shù)控機床的具體使用環(huán)境，定義了針對不同監(jiān)控通道的M功能，用戶在加工程序中使用M指令就可以激活和關(guān)閉ARTIS各項監(jiān)控功能，同時為有效提高機床使用效率，在加工過程中隨時采樣監(jiān)控信號，還在機床操作面板上設(shè)計自定義按鍵來進(jìn)行手動操作。

　　M功能描述表(x=通道號1，2，3或4)如表1所述。

　　(3)定義H功能

　　針對機床加工工況的多樣性，不同工況的監(jiān)控過程信號特征值存儲在不同過程號中，當(dāng)加工過的工況重復(fù)出現(xiàn)時，只需調(diào)用過程號，就可以在加工時使用與原工況相同的監(jiān)控過程信號特征值，有效提高加工效率。

　　每個過程號包括程序號(Progmm Number)、刀號(TNumber)、刀沿號(D Number)和工步號(MachiningNumber)。不同加工速度，對應(yīng)不同工步號，如64001(111，1，1，61)表示過程號為64001的加工，該工況的程序號為111，刀號為T1，刀沿號為D1，工步號為61。在監(jiān)控加工工況時，可預(yù)先定義過程號、程序號、刀號、刀沿號和工步號，為了方便用戶對程序號、刀號、刀沿號和工步號進(jìn)行賦值，定義了H功能。在用戶加工程序中，只需對H指令進(jìn)行賦值，就可存儲需要監(jiān)控工況的信號特征值。如上述的過程號6400l(111，1，1，61)就可在程序中定義如下：H10=64001，H1l=1，H12=1，H13=61。

　　H功能描述(X=通道號1，2，3或4)如表2所述。

　　考慮到機床的加工對象主要為難加工材料制成的大型整體結(jié)構(gòu)件，而且是五軸加工，根據(jù)這臺數(shù)控機床的機構(gòu)和加工特點，針對性地將ARTIS監(jiān)控系統(tǒng)的主軸碰撞監(jiān)控、加工過程監(jiān)控中的自適應(yīng)控制和刀具監(jiān)控，及其他一些有利于用戶維護(hù)機床和診斷機床故障的功能，通過PLC機床控制程序的設(shè)計，應(yīng)用到這臺數(shù)控機床上，以實現(xiàn)保證加工質(zhì)量，提高加工效率的目的。

　　(1)主軸碰撞監(jiān)控

主軸碰撞監(jiān)控是通過安裝在機床主軸頭上的VG-4振動傳感器，監(jiān)測主軸頭的振動狀態(tài)，當(dāng)主軸發(fā)生碰撞造成主軸扭矩增大而使主軸振動值達(dá)到設(shè)定的保護(hù)上限時，程序停止運行，機床停止運動。保護(hù)上限值根據(jù)機床實際設(shè)計參數(shù)和用戶使用要求在參數(shù)中設(shè)定。

　　控制主軸碰撞監(jiān)控的流程圖如圖2所示。

程序變量說明：
　　MDl00：通過VG4采集到的主軸實際振動值
　　MDl04：主軸振動保護(hù)值上限1
　　MDl08：主軸振動保護(hù)值上限2
　　其中主軸振動保護(hù)值上限2與ARTIS監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)定的碰撞上限數(shù)值相同，主軸振動保護(hù)值上限l小于主軸振動保護(hù)值上限2，具體數(shù)值根據(jù)機床使用狀況設(shè)定。

　　圖3是主軸輕度碰撞實驗監(jiān)控的圖形。實驗中碰撞的振動值小于主軸振動保護(hù)值上限1，機床沒有報警，程序繼續(xù)執(zhí)行。

　　(2)自適應(yīng)控制

　　機床過程監(jiān)控是用集成在CTM卡中的DTA功能，通過SIEMENS Profibus總線采集數(shù)控系統(tǒng)中電動機扭矩信號，通過軟件開發(fā)和參數(shù)設(shè)置，對刀具及機床狀況進(jìn)行監(jiān)控。自適應(yīng)控制和刀具監(jiān)控是機床過程監(jiān)控中最重要的部分。由于這臺數(shù)控機床加工對象是難加工材料制成的大型整體結(jié)構(gòu)件，工件的加工周期長，所以通過自適應(yīng)控制及對刀具狀態(tài)的監(jiān)控對加工質(zhì)量的保障和機床效率的提高起到重要作用。

　　自適應(yīng)控制功能是根據(jù)工件正常加工狀態(tài)確定學(xué)習(xí)曲線，并根據(jù)機床加工工況設(shè)定上限進(jìn)給速度和下限進(jìn)給速度。以主軸為例，設(shè)主軸正常扭矩信號為參考值P_Ref，在加工過程中，通過DTA隨時讀取主軸扭矩值P，和參考值P_Ref進(jìn)行比較，在PLC機床控制程序中通過編程自動控制坐標(biāo)進(jìn)給倍率，從而控制坐標(biāo)進(jìn)給速度：①當(dāng)P>P_Ref時，降低進(jìn)給速度到設(shè)定進(jìn)給速度下限值；②當(dāng)P<P_Ref時，提高進(jìn)給速度到設(shè)定進(jìn)給速度上限值；③當(dāng)P=P_Ref ，時，進(jìn)給速度等于程編速度的100％。

　　用自適應(yīng)控制功能，能夠有效調(diào)整機床負(fù)載，提高機床加工效率，減少空運行時間。

　　(3)刀具監(jiān)控

　　刀具監(jiān)控功能是根據(jù)用戶實際使用要求，分別對機床加工過程中的缺刀、刀具磨損、斷刀幾種情況，在ARTIs系統(tǒng)參數(shù)中設(shè)定不同保護(hù)限制值，由PLC機床控制程序針對這些情況控制機床運動。刀具監(jiān)控流程圖如圖4所示。

　　程序變量說明：
　　MD200：主軸實際扭矩值
　　MD204：缺刀保護(hù)限制值
　　MD208：刀具磨損保護(hù)限制值
　　MD212：斷刀保護(hù)限制值
　　在ARTIS系統(tǒng)參數(shù)中，刀具狀態(tài)限制值設(shè)置要滿足下面條件：MD204<MD208<MD212

　　(4)其他功能
　　為了方便機床維護(hù)和操作人員對機床出現(xiàn)的故障進(jìn)行診斷和維護(hù)，通過PLC機床控制程序設(shè)計了報警記錄功能和對機床運行有效時段進(jìn)行ARTIS監(jiān)控的功能。
　?、賵缶涗洠寒?dāng)機床在加工監(jiān)控過程出現(xiàn)扭矩過大、碰撞、斷刀等故障，ARTIS監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出報警時，系統(tǒng)會自動對出現(xiàn)報警時的監(jiān)控曲線畫面進(jìn)行硬拷貝，以圖片格式存儲在PCU50硬盤特定目錄下，方便用戶追溯機床出現(xiàn)故障時的狀態(tài)。

　?、趯C床運行有效時段進(jìn)行ARTIS監(jiān)控：機床在加工工件時，操作人員有時會在加工中暫停坐標(biāo)進(jìn)給，檢查加工情況。為減少ARTIS系統(tǒng)的無效監(jiān)控，在PLC機床控制程序中，通過判斷進(jìn)給倍率的調(diào)節(jié)頻率和倍率值，對非正常加工工件過程停止ARTIS監(jiān)控；只有當(dāng)進(jìn)給倍率穩(wěn)定且不為零時，認(rèn)為機床在正常加工工件，此時再啟動ARTIS監(jiān)控，這樣就避免一些無效的監(jiān)控曲線和圖形。

3 結(jié)語

　　通過在某型號數(shù)控機床上對ARTIS監(jiān)控系統(tǒng)功能的開發(fā)應(yīng)用，實現(xiàn)了對該機床加工過程的實時監(jiān)控，對提高機床加工效率、改善產(chǎn)品質(zhì)量有一定保障作用，也有助于機床的維護(hù)保養(yǎng)和故障診斷。上述開發(fā)的ARTIs監(jiān)控功能已在其他幾臺大功率強力切削數(shù)控機床上得到應(yīng)用，效果良好。ARTIS監(jiān)控系統(tǒng)在批量加工、加工零件負(fù)載波動不大、切削余量均勻等加工工況下效果更顯著。如何結(jié)合機床和加工特點，使ARTIS監(jiān)控系統(tǒng)的效能得到充分發(fā)揮，還有待在今后工作中不斷探索實踐。