ARTIS刀具監(jiān)控系統(tǒng)在數(shù)控機床上的開發(fā)應(yīng)用*

鄧 凌 許翠芳 喬永忠

（①北京航空制造工程研究所，北京100024;②成都飛機工業(yè)（集團）有限責(zé)任公司，四川成都610092）

隨著制造業(yè)技術(shù)的不斷進步和發(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)域亟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 Power1ine數(shù)控系統(tǒng)，SIMODRIVE 611D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)進行傳感器安裝和硬件連接，配合進行相關(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;WINDOWS XP操作系統(tǒng);Profibus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。

ARITS系統(tǒng)硬件連接如圖1所示。

（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SIEMENS HMI（SIEMENS人機界面）軟件鍵進行編程，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。

表1 M功能

（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（Program Number）、刀號（T Number）、刀沿號（D Number）和工步號（Machining Number）。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、刀沿號和工步號進行賦值，定義了H功能。在用戶加工程序中，只需對H指令進行賦值，就可存儲需要監(jiān)控工況的信號特征值。如上述的過程號64001（111，1，1，61）就可在程序中定義如下:H10=64001，H11=1，H12=1，H13=61。

H功能描述（X=通道號1，2，3或4）如表2所述。

表2 H功能

2.2 ARTIS功能開發(fā)應(yīng)用

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到設(shè)定的保護上限時，程序停止運行，機床停止運動。保護上限值根據(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:

MD100:通過VG4采集到的主軸實際振動值

MD104:主軸振動保護值上限1

MD108:主軸振動保護值上限2

其中主軸振動保護值上限2與ARTIS監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)定的碰撞上限數(shù)值相同，主軸振動保護值上限1小于主軸振動保護值上限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)定上限進給速度和下限進給速度。以主軸為例，設(shè)主軸正常扭矩信號為參考值PRef，在加工過程中，通過DTA隨時讀取主軸扭矩值P，和參考值PRef進行比較，在PLC機床控制程序中通過編程自動控制坐標進給倍率，從而控制坐標進給速度:①當(dāng)P＞PRef時，降低進給速度到設(shè)定進給速度下限值;②當(dāng)P＜PRef時，提高進給速度到設(shè)定進給速度上限值;③當(dāng)P=PRef時，進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:缺刀保護限制值

MD208:刀具磨損保護限制值

MD212:斷刀保護限制值

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

為了方便機床維護和操作人員對機床出現(xiàn)的故障進行診斷和維護，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行ARTIS監(jiān)控的功能。

①報警記錄:當(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)。

②對機床運行有效時段進行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進給，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)進給倍率穩(wěn)定且不為零時，認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。