高速切削刀具的數(shù)字化改造

曹帥

摘 要：高速切削是一項(xiàng)先進(jìn)的制造技術(shù)，它主要是通過對(duì)刀具工作狀態(tài)（包括溫度和振動(dòng)）的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和基于二維碼的車間數(shù)字化工程對(duì)刀具進(jìn)行管理和信息收集，從而做到高品質(zhì)、高效率生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：高速切削；監(jiān)測(cè)；數(shù)字化；改造

中圖分類號(hào)：TG71 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）17-0120-02

1 高速切削刀具的發(fā)展與研究

1.1 高速切削的發(fā)展現(xiàn)狀

高速切削技術(shù)被公認(rèn)為是源自Carl. Salomon的觀點(diǎn)：當(dāng)切削速度增大到某一數(shù)值時(shí)，隨著切削速度的增加，切削溫度反而下降。但是，學(xué)者們對(duì)這一變化規(guī)律一直存有爭(zhēng)議，許多學(xué)者都對(duì)此進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和探討，有著不同的觀點(diǎn)：一種觀點(diǎn)認(rèn)為Salomon曲線是存在的，并且在一些輕金屬的加工過程中得到了證明；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，切削溫度隨著切削速度的提高而不斷升高，直至達(dá)到工件材料的熔點(diǎn)。

無論哪種觀點(diǎn)正確，當(dāng)前生產(chǎn)的價(jià)值追求就是：在盡量大的切削速度下，刀具溫度未達(dá)材料耐熱極限時(shí)，進(jìn)行可靠、穩(wěn)定的高速切削工作。但是，在加工過程中還存在一些問題。為了保障工作人員的安全，機(jī)床普遍采用全封閉式安全門罩和高強(qiáng)度材料制成的觀察窗，工作人員無法實(shí)時(shí)獲取刀具的切削狀態(tài)。

1.2 課題研究依據(jù)

1.2.1 工件材料的性能

刀具熱性能是高速切削效率的重要指標(biāo)之一，每種刀具工件材料都有其特定的加工范圍，不同材料的刀具切削加工同一種工件材料時(shí)的磨損形態(tài)和壽命有很大的不同。在實(shí)際應(yīng)用中，刀具必須在其材料耐熱溫度范圍內(nèi)進(jìn)行切削加工。高速切削刀具發(fā)生很小的位移就會(huì)對(duì)工件精度造成很大的影響，而振動(dòng)產(chǎn)生的位移影響在實(shí)際生產(chǎn)中尤為普遍。刀具的耐熱性和振動(dòng)極值一般都是由刀具生產(chǎn)廠家提供的。

1.2.2 傳感器技術(shù)

本文利用傳感器實(shí)時(shí)獲取刀具的性能數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)模塊使用熱電偶傳感器和激光測(cè)振儀。熱電偶傳感器直接測(cè)量刀具的溫度，把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，通過電氣儀表轉(zhuǎn)換成被測(cè)介質(zhì)的溫度；激光測(cè)振儀是利用光學(xué)普遍的折射、反射效應(yīng)，把發(fā)射的激光束作為光源，對(duì)細(xì)微的振動(dòng)位移進(jìn)行點(diǎn)測(cè)，然后處理數(shù)據(jù)并反饋。

1.2.3 數(shù)字化技術(shù)

數(shù)字化改造的第一步是將有關(guān)刀具的基本信息轉(zhuǎn)化、保存在二維碼中，便于管理網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。利用數(shù)字化技術(shù)建立包括刀具的技術(shù)信息、應(yīng)用信息和管理信息等內(nèi)容完整、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)庫(kù)，使刀具在生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理，實(shí)現(xiàn)刀具與管理網(wǎng)絡(luò)的交互聯(lián)系、動(dòng)態(tài)追蹤和實(shí)時(shí)反應(yīng)與控制。

車間數(shù)字化工程的終端就是調(diào)度室，調(diào)度室收集和匯總刀具的實(shí)時(shí)狀態(tài)并進(jìn)行處置。其中，包括遠(yuǎn)程控制機(jī)床運(yùn)行、發(fā)送警告至負(fù)責(zé)人，發(fā)送刀具情況到后勤部門，并對(duì)刀具進(jìn)行補(bǔ)充和采購(gòu)。

2 系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)

該設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為三層：設(shè)備層、控制層、管理層。設(shè)備層主要是為了實(shí)現(xiàn)刀具運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，完成對(duì)刀具切削的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，由各種傳感器等組成；控制層的主要功能是通過計(jì)算機(jī)處置刀具，由帶有以太網(wǎng)接口的PLC組成，以太網(wǎng)交換機(jī)與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，向計(jì)算機(jī)傳送刀具狀態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)

過轉(zhuǎn)換后傳給管理層的計(jì)算機(jī)；管理層接入調(diào)度室，主要由計(jì)算機(jī)組成，提供集中管理功能，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控刀具的運(yùn)行工況、故障報(bào)警、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和上報(bào)情況等操作。

2.1 刀具監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求建立如圖1所示的刀具監(jiān)測(cè)模塊圖。

圖1 刀具監(jiān)測(cè)模塊圖

二維碼識(shí)別模塊：實(shí)現(xiàn)二維碼信息掃描、識(shí)別的功能，使用西門子SIMATIC MV440固定式二維碼讀碼器。該設(shè)備主要用于環(huán)境惡劣的工業(yè)應(yīng)用條件下的工件讀碼。

溫度監(jiān)測(cè)模塊：在刀具端對(duì)刀具頭進(jìn)行測(cè)溫的模塊。使用B型熱電偶傳感器元件完成溫度測(cè)量功能，該型元件耐溫達(dá)2 800℃，熱電性質(zhì)穩(wěn)定，制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格較低。

振動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊：振動(dòng)的位移監(jiān)測(cè)根據(jù)刀具中心（或基準(zhǔn)點(diǎn)）距工件中心（或基準(zhǔn)點(diǎn)）的距離變化使用非接觸式電渦流傳感器進(jìn)行檢查。該元件有工作范圍大、靈敏度高和非接觸式測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 系統(tǒng)軟件組成

系統(tǒng)軟件主要包括機(jī)床主控制程序和輔助管理程序。

機(jī)床主控制程序是用來實(shí)現(xiàn)機(jī)床運(yùn)行等功能的。在執(zhí)行主控制程序時(shí)，先進(jìn)行系統(tǒng)模塊連接檢查，如果該模塊出現(xiàn)問題，則運(yùn)行結(jié)束。檢測(cè)正常后，啟動(dòng)識(shí)別設(shè)備設(shè)置溫度和振動(dòng)限值，運(yùn)行傳感器，開始監(jiān)測(cè)刀具的切削狀態(tài)，一旦檢測(cè)到異常，則要立刻停車。

輔助管理程序是用來匯總信息、處理和上報(bào)相關(guān)信息的。當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)到異常情況時(shí)，輔助管理程序開始運(yùn)行，將情況通報(bào)至調(diào)度室，由調(diào)度室完成后續(xù)的工作。程序流程如圖2所示。

圖2 輔助管理程序流程圖

3 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

3.1 激光打標(biāo)

目前，使用較為廣泛的標(biāo)識(shí)技術(shù)有兩種：①標(biāo)簽掛載。這

種技術(shù)不利于刀具的使用，且標(biāo)簽易損壞、丟失。②型號(hào)刻錄。這種技術(shù)應(yīng)用得最多，但是標(biāo)識(shí)容易被污蝕。

激光打標(biāo)技術(shù)是新型的錄入技術(shù)，激光打標(biāo)不用接觸物體表面即可打印，不會(huì)對(duì)刀具造成損害，不會(huì)對(duì)刀具的切削性能產(chǎn)生影響，具有成本低和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 熱電偶傳感器

在熱電偶回路中接入電位計(jì)E，只要保證電位計(jì)與連接熱電偶處的接點(diǎn)溫度相等，就不會(huì)影響回路中原來的熱電勢(shì)，原理如圖3所示。

3.3 激光測(cè)振儀

激光測(cè)振儀是基于光學(xué)干涉原理設(shè)計(jì)的，它采用非接觸式測(cè)量技術(shù)，可以實(shí)時(shí)測(cè)量刀具振動(dòng)的位移量，分辨率、精度很高，工作原理如圖4所示。

圖3 熱電偶傳感器原理圖 圖4 激光測(cè)振儀系統(tǒng)示意圖

4 車間數(shù)字化

4.1 刀具入庫(kù)

先將刀具信息錄入系統(tǒng)，在刀具損壞后，可以及時(shí)提供生產(chǎn)所需的刀具。這樣做可以提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。

4.2 刀具查詢

調(diào)度室可以實(shí)時(shí)查詢每臺(tái)正在切削的機(jī)床刀具的運(yùn)行狀態(tài)，從統(tǒng)計(jì)的大量數(shù)據(jù)中可以獲取最優(yōu)刀具切削組合方案，提高刀具的利用率，延長(zhǎng)刀具的使用壽命，降低生產(chǎn)成本。

二維碼不僅可以由機(jī)床設(shè)備讀取，工作人員也可以通過二維碼識(shí)別設(shè)備（比如手機(jī)）獲取刀具信息，這對(duì)工作人員進(jìn)行設(shè)備安裝和調(diào)試刀具有一定的幫助。

4.3 刀具報(bào)廢

對(duì)于異常運(yùn)行的刀具來說，接到警告的負(fù)責(zé)人要對(duì)刀具壽命進(jìn)行全方面的檢測(cè)，對(duì)其重要尺寸、精度和角度進(jìn)行維護(hù)和修復(fù)，延長(zhǎng)其使用壽命。如果修整后的刀具還能繼續(xù)切削，則將該刀具錄入系統(tǒng)，這樣后勤部能實(shí)時(shí)獲取信息并減少采購(gòu)計(jì)劃；對(duì)于檢測(cè)后精度和切削不達(dá)標(biāo)且無法修整的刀具，要及時(shí)進(jìn)行報(bào)廢處理。

4.4 刀具采購(gòu)

后勤部根據(jù)調(diào)度室的數(shù)據(jù)匯總制訂采購(gòu)計(jì)劃，合理調(diào)整生產(chǎn)資源，以保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

5 結(jié)束語

針對(duì)高速切削刀具的使用特點(diǎn)和研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并結(jié)合車間對(duì)刀具的管理要求，對(duì)刀具的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行智能化監(jiān)控，在提高高速切削穩(wěn)定性方面獲得了較大的進(jìn)步。結(jié)合二維碼信息采集技術(shù)，設(shè)計(jì)、開發(fā)了高速切削的數(shù)字化改造系統(tǒng)，以適應(yīng)企業(yè)集成化和資源化的需求，降低了生產(chǎn)成本，提高了企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。本文中提及的高速切削數(shù)字化改造已基本獲得了成功，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

〔編輯：白潔〕

Digital Transformation of High-speed Cutting Tools

Cao Shuai

Abstract： High-speed cutting is an advanced manufacturing technology， it is mainly through the tool work status（including temperature and vibration）real-time monitoring and two-dimensional code based workshop on digitization project management and information gathering tool， thereby leading to high quality， high production efficiency.

Key words： high-speed cutting； monitoring； digitization； transformation

4.1 刀具入庫(kù)

先將刀具信息錄入系統(tǒng)，在刀具損壞后，可以及時(shí)提供生產(chǎn)所需的刀具。這樣做可以提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。

4.2 刀具查詢

調(diào)度室可以實(shí)時(shí)查詢每臺(tái)正在切削的機(jī)床刀具的運(yùn)行狀態(tài)，從統(tǒng)計(jì)的大量數(shù)據(jù)中可以獲取最優(yōu)刀具切削組合方案，提高刀具的利用率，延長(zhǎng)刀具的使用壽命，降低生產(chǎn)成本。

二維碼不僅可以由機(jī)床設(shè)備讀取，工作人員也可以通過二維碼識(shí)別設(shè)備（比如手機(jī)）獲取刀具信息，這對(duì)工作人員進(jìn)行設(shè)備安裝和調(diào)試刀具有一定的幫助。

4.3 刀具報(bào)廢

對(duì)于異常運(yùn)行的刀具來說，接到警告的負(fù)責(zé)人要對(duì)刀具壽命進(jìn)行全方面的檢測(cè)，對(duì)其重要尺寸、精度和角度進(jìn)行維護(hù)和修復(fù)，延長(zhǎng)其使用壽命。如果修整后的刀具還能繼續(xù)切削，則將該刀具錄入系統(tǒng)，這樣后勤部能實(shí)時(shí)獲取信息并減少采購(gòu)計(jì)劃；對(duì)于檢測(cè)后精度和切削不達(dá)標(biāo)且無法修整的刀具，要及時(shí)進(jìn)行報(bào)廢處理。

4.4 刀具采購(gòu)

后勤部根據(jù)調(diào)度室的數(shù)據(jù)匯總制訂采購(gòu)計(jì)劃，合理調(diào)整生產(chǎn)資源，以保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

5 結(jié)束語

針對(duì)高速切削刀具的使用特點(diǎn)和研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并結(jié)合車間對(duì)刀具的管理要求，對(duì)刀具的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行智能化監(jiān)控，在提高高速切削穩(wěn)定性方面獲得了較大的進(jìn)步。結(jié)合二維碼信息采集技術(shù)，設(shè)計(jì)、開發(fā)了高速切削的數(shù)字化改造系統(tǒng)，以適應(yīng)企業(yè)集成化和資源化的需求，降低了生產(chǎn)成本，提高了企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。本文中提及的高速切削數(shù)字化改造已基本獲得了成功，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

〔編輯：白潔〕

Digital Transformation of High-speed Cutting Tools

Cao Shuai

Abstract： High-speed cutting is an advanced manufacturing technology， it is mainly through the tool work status（including temperature and vibration）real-time monitoring and two-dimensional code based workshop on digitization project management and information gathering tool， thereby leading to high quality， high production efficiency.

Key words： high-speed cutting； monitoring； digitization； transformation

4.1 刀具入庫(kù)

先將刀具信息錄入系統(tǒng)，在刀具損壞后，可以及時(shí)提供生產(chǎn)所需的刀具。這樣做可以提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。

4.2 刀具查詢

調(diào)度室可以實(shí)時(shí)查詢每臺(tái)正在切削的機(jī)床刀具的運(yùn)行狀態(tài)，從統(tǒng)計(jì)的大量數(shù)據(jù)中可以獲取最優(yōu)刀具切削組合方案，提高刀具的利用率，延長(zhǎng)刀具的使用壽命，降低生產(chǎn)成本。

二維碼不僅可以由機(jī)床設(shè)備讀取，工作人員也可以通過二維碼識(shí)別設(shè)備（比如手機(jī)）獲取刀具信息，這對(duì)工作人員進(jìn)行設(shè)備安裝和調(diào)試刀具有一定的幫助。

4.3 刀具報(bào)廢

對(duì)于異常運(yùn)行的刀具來說，接到警告的負(fù)責(zé)人要對(duì)刀具壽命進(jìn)行全方面的檢測(cè)，對(duì)其重要尺寸、精度和角度進(jìn)行維護(hù)和修復(fù)，延長(zhǎng)其使用壽命。如果修整后的刀具還能繼續(xù)切削，則將該刀具錄入系統(tǒng)，這樣后勤部能實(shí)時(shí)獲取信息并減少采購(gòu)計(jì)劃；對(duì)于檢測(cè)后精度和切削不達(dá)標(biāo)且無法修整的刀具，要及時(shí)進(jìn)行報(bào)廢處理。

4.4 刀具采購(gòu)

后勤部根據(jù)調(diào)度室的數(shù)據(jù)匯總制訂采購(gòu)計(jì)劃，合理調(diào)整生產(chǎn)資源，以保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

5 結(jié)束語

針對(duì)高速切削刀具的使用特點(diǎn)和研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并結(jié)合車間對(duì)刀具的管理要求，對(duì)刀具的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行智能化監(jiān)控，在提高高速切削穩(wěn)定性方面獲得了較大的進(jìn)步。結(jié)合二維碼信息采集技術(shù)，設(shè)計(jì)、開發(fā)了高速切削的數(shù)字化改造系統(tǒng)，以適應(yīng)企業(yè)集成化和資源化的需求，降低了生產(chǎn)成本，提高了企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。本文中提及的高速切削數(shù)字化改造已基本獲得了成功，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

〔編輯：白潔〕

Digital Transformation of High-speed Cutting Tools

Cao Shuai

Abstract： High-speed cutting is an advanced manufacturing technology， it is mainly through the tool work status（including temperature and vibration）real-time monitoring and two-dimensional code based workshop on digitization project management and information gathering tool， thereby leading to high quality， high production efficiency.

Key words： high-speed cutting； monitoring； digitization； transformation