“中國(guó)制造2025”提出，堅(jiān)持“革新驅(qū)動(dòng)、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、人才為本”的基本方針，并通過(guò)“三步走”來(lái)逐步實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略目標(biāo)，其五大工程之一就是智能制造，智能制造也是我國(guó)進(jìn)入制造強(qiáng)國(guó)陣營(yíng)*主要及有效的手段之一。

為推進(jìn)智能制造，必須顯著提高制造業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域的智能化水平，以達(dá)到企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本下降、產(chǎn)品生產(chǎn)周期縮短和不佳品率降低等目標(biāo)。因此，智能制造的實(shí)施主體及原動(dòng)力必須是企業(yè)自身，核心是有利于提升企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理水平，支撐企業(yè)利潤(rùn)的增長(zhǎng)。

在通常的機(jī)械制造過(guò)程中，刀具采購(gòu)成本約占制造成本的2%～4%，卻直接影響了占制造成本約20%的機(jī)床費(fèi)用和40%的人工費(fèi)用。因此，在制造過(guò)程中對(duì)刀具進(jìn)行科學(xué)管控，能有效提升企業(yè)的經(jīng)營(yíng)水平，而且刀具與制造成本及產(chǎn)品質(zhì)量息息相關(guān)。本文主要介紹在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，結(jié)合加工過(guò)程，通過(guò)在線監(jiān)測(cè)來(lái)研究刀具的柔性管理技術(shù)。

加工過(guò)程的在線監(jiān)測(cè)原理

針對(duì)機(jī)械加工類的制造過(guò)程，刀具是影響成本和質(zhì)量的核心控制點(diǎn)，通常的衡量指標(biāo)包括壽命和耐用度。刀具壽命是指新刀具從投入切削起，直到報(bào)廢為止的切削時(shí)間總和；而刀具耐用度是指刀具從開(kāi)始切削到磨損失效所用的時(shí)間，其中發(fā)生的停機(jī)時(shí)間不計(jì)算在內(nèi)。對(duì)于可刃磨的刀具，理論上刀具壽命等于所有耐用度之和，實(shí)際預(yù)測(cè)刀具壽命通常是指刀具耐用度。

企業(yè)在生產(chǎn)操作時(shí)可通過(guò)設(shè)定被加工件的頻次來(lái)管理刀具壽命，這也是*常規(guī)的刀具管理及控制方法。顯然，這種訂制化的刀具管理策略的前提是，刀具及被加工零部件的材料性能一致、設(shè)備狀態(tài)保持一致。為確保產(chǎn)品質(zhì)量，采用這種方式時(shí)，通常會(huì)設(shè)定偏于保守的刀具壽命。但實(shí)際情況要復(fù)雜得多，常常出現(xiàn)的情況是，有些仍滿足生產(chǎn)使用要求的刀具被強(qiáng)制更換，或者在極端情況下，由于刀具自身或被加工件狀態(tài)的差異，會(huì)出現(xiàn)尚未達(dá)到規(guī)定使用頻次（預(yù)期壽命）就出現(xiàn)刀具嚴(yán)重磨損的情況，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量?？梢?jiàn)，這種相對(duì)固定的刀具管理策略不能適應(yīng)實(shí)際復(fù)雜多變的加工過(guò)程需求，難以同時(shí)兼顧質(zhì)量和成本要求。

基于上述情況，在研究生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，通過(guò)在線采集并分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)加工刀具的柔性管理，從而從企業(yè)實(shí)際經(jīng)營(yíng)的角度，在確保產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)上，降低了刀具的使用成本，提高了工作效率?；舅悸肥牵?

首先，在實(shí)際加工狀態(tài)下，對(duì)多種因素影響的重復(fù)加工進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)；

其次，根據(jù)采集的工藝數(shù)據(jù)，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析，提取關(guān)鍵特性量，建立刀具磨損模型，設(shè)定刀具管控的限值；

*后，建立基于刀具耐用度的大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用平臺(tái)，當(dāng)關(guān)鍵特征量達(dá)到限值時(shí)會(huì)自動(dòng)預(yù)警，從而實(shí)現(xiàn)“一刀一壽命”的柔性控制*后目標(biāo)，其基本原理框圖如圖1所示。

圖1 加工過(guò)程在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)示意圖

加工過(guò)程在線監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)處理

刀具工作狀態(tài)監(jiān)控可采用間接測(cè)量的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，常用的測(cè)量物理量有很多種，例如切削力、聲發(fā)射（Acoustic Emission）、溫度、主軸電機(jī)負(fù)荷和進(jìn)給電機(jī)負(fù)荷等。刀具加工過(guò)程在線監(jiān)控的核心是智能傳感器技術(shù)，傳感器把刀具切削過(guò)程的物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，要求采集到的電信號(hào)必須能夠如實(shí)準(zhǔn)確地反映切削過(guò)程中刀具的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息。此外，由于傳感器與機(jī)床配套使用，因此，傳感器在具備在線檢測(cè)功能的同時(shí)，還要確保其使用和安裝簡(jiǎn)單易行，且具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

目前，采用傳統(tǒng)的單一傳感器很難準(zhǔn)確地檢測(cè)刀具的切削狀態(tài)，因此，多傳感器融合發(fā)展是必由之路。同時(shí)，必須結(jié)合大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，為現(xiàn)場(chǎng)決策提供依據(jù)。不僅如此，多傳感器信號(hào)處理必須具備融合和自學(xué)習(xí)能力，以滿足復(fù)雜多變的制造要求，并與智能制造技術(shù)緊密結(jié)合，這是未來(lái)傳感和數(shù)據(jù)分析的重要發(fā)展趨勢(shì)。

綜上所述，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的在線監(jiān)測(cè)，其核心是數(shù)據(jù)獲取和采集。以上所述的多種測(cè)量技術(shù)，由于各種物理量相對(duì)獨(dú)立，因此，為了安裝特定的傳感器，需要對(duì)設(shè)備、刀具或刀柄進(jìn)行訂制改造，這導(dǎo)致了技術(shù)難度和成本都相對(duì)較高，且機(jī)床改造后易影響性能。隨著機(jī)床數(shù)控化技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)CNC加工設(shè)備，數(shù)控系統(tǒng)已獲取了機(jī)床的相關(guān)控制參數(shù)，可直接利用通信方法實(shí)時(shí)獲取機(jī)床的參數(shù)，從而大大降低了數(shù)據(jù)獲取的成本，且對(duì)加工設(shè)備無(wú)任何影響，有利于現(xiàn)場(chǎng)推廣和實(shí)施。

機(jī)床在加工零部件的過(guò)程中，主軸動(dòng)力參數(shù)是切削過(guò)程的綜合性能指標(biāo)，直接反映出切削負(fù)荷的變化，從而反映出刀具的磨損和過(guò)程狀態(tài)，這在批量生產(chǎn)的重復(fù)加工過(guò)程中表現(xiàn)得尤為明顯。在采用同一加工工序加工相同的零件時(shí)，驅(qū)動(dòng)軸動(dòng)力參數(shù)隨時(shí)間的變化，能直接反應(yīng)出刀具的切削狀態(tài)。因此，該指標(biāo)綜合反映了刀具切削過(guò)程的狀態(tài)變化。針對(duì)CNC設(shè)備，可利用標(biāo)準(zhǔn)的PROFIBUS通信協(xié)議與數(shù)控系統(tǒng)MPI（Multi Point Interface）接口通信，讀取數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)，常規(guī)的CNC機(jī)床獲取數(shù)據(jù)的通信原理如圖2所示。

圖2 CNC機(jī)床獲數(shù)據(jù)的通信原理

下面，以電控高壓燃油噴射系統(tǒng)共軌管的實(shí)際加工為例，來(lái)對(duì)機(jī)床的在線監(jiān)測(cè)過(guò)程進(jìn)行介紹。

共軌管管體的加工工藝涉及定位孔、安裝孔和定位面的加工以及槍鉆中孔等10多道工序。利用MPI通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)巨浪加工中心數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)狀態(tài)參數(shù)的在線獲取，實(shí)時(shí)采集機(jī)床主軸的電壓和電流，并通過(guò)電壓及電流計(jì)算瞬時(shí)功率，其中設(shè)定的采樣間隔為0.1s，圖3所示是共軌管管體某次加工過(guò)程的主軸功率曲線。

圖3 加工過(guò)程監(jiān)測(cè)的功率曲線

從圖3的測(cè)量結(jié)果，可以清楚地看出加工過(guò)程中主軸功率的實(shí)際變化情況，它直觀地反映了工序過(guò)程的瞬時(shí)功率變化，并能夠與刀具的切削過(guò)程一一對(duì)應(yīng)。因此，測(cè)量結(jié)果可直接用于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析、工藝優(yōu)化及過(guò)程控制。由于功率可通過(guò)轉(zhuǎn)速而轉(zhuǎn)換為瞬時(shí)扭矩，因此，在分析中僅以功率作為參數(shù)。另外，由于研究的內(nèi)容主要是針對(duì)切削過(guò)程，因此在數(shù)據(jù)處理時(shí)，忽略了機(jī)床啟動(dòng)、加速和制動(dòng)狀態(tài)引起的瞬態(tài)扭矩尖峰。

針對(duì)共軌管管體的加工所涉及的10多道工序，由于槍鉆中孔花費(fèi)的加工時(shí)間和刀具耗損較多，且槍鉆刀具價(jià)值較高，因此，對(duì)槍鉆中孔的加工工序進(jìn)行了單獨(dú)研究。圖4所示是兩次槍鉆中孔工序的功率測(cè)量結(jié)果，其中，曲線P1是新?lián)Q刀時(shí)的測(cè)量結(jié)果，P3是加工了數(shù)個(gè)工件后的測(cè)量結(jié)果。

圖4 槍鉆中孔工序的功率曲線

從圖4的測(cè)量結(jié)果可見(jiàn)，刀具在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用后，主軸的功率有所增加。由于是針對(duì)同一批次的零部件，且工藝參數(shù)未發(fā)生改變，因此，這種變化主要是由刀具的磨損而引起的。從實(shí)際監(jiān)控的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)刀具變化所引起的主軸功率變化情況。通過(guò)對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)的分析，在保證質(zhì)量的前提下，經(jīng)試驗(yàn)后確定了加工質(zhì)量惡化時(shí)的主軸功率，并以此作為限值設(shè)定的基礎(chǔ)，在實(shí)際監(jiān)控時(shí)給出預(yù)警和提示動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)刀具的柔性管理。

為進(jìn)一步分析功率曲線和刀具耗損之間的關(guān)系，根據(jù)該實(shí)際的工序過(guò)程，槍鉆工序共分為3個(gè)階段：Phase1為導(dǎo)向孔，持續(xù)時(shí)間15.5s；Phase2為慢速加工，持續(xù)時(shí)間9s；Phase3為快速加工過(guò)程，持續(xù)時(shí)間82s。針對(duì)這3個(gè)不同階段，對(duì)P1和P3時(shí)刻采集到的功率數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，兩個(gè)時(shí)刻的主軸平均功率如圖5所示。

圖5 槍鉆中孔不同階段的主軸功率對(duì)比

從圖5可見(jiàn)，P1和P3這兩個(gè)時(shí)刻Phase1、Phase2和Phase3的主軸功率變化分別為4.69%、-1.96%和45.18%。其中，Phase1和Phase2為槍鉆中孔的準(zhǔn)備工序，功率消耗較少，而P1和P3兩個(gè)時(shí)刻變化不大。Phase3為快速加工過(guò)程，也是主要的槍鉆切削加工，是主要的動(dòng)力消耗階段，且經(jīng)過(guò)多次重復(fù)加工后，由于刀具的磨損和變化，主軸功率增加較多。

根據(jù)以上實(shí)際加工零部件的質(zhì)量和工藝時(shí)間參數(shù)，設(shè)定Phase3階段功率增加的限值，當(dāng)達(dá)到限值時(shí)執(zhí)行換刀程序，若沒(méi)有達(dá)到限值，則繼續(xù)加工，從而實(shí)現(xiàn)了刀具的柔性管理。即每把刀的加工件數(shù)根據(jù)實(shí)際情況確定，而不是固定數(shù)值。顯然，這種管理方式與實(shí)際情況更接近。在實(shí)際工程應(yīng)用中，為達(dá)到刀具的柔性管理，必須結(jié)合實(shí)際加工工序和刀具，進(jìn)行大量的工程試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)、歸納，主要工作集中在如下幾個(gè)方面：

首先，在保證質(zhì)量的前提下，分析特定工序監(jiān)控功率的變化過(guò)程，當(dāng)影響到實(shí)際的產(chǎn)品質(zhì)量時(shí)，功率數(shù)值即可作為刀具柔性管理的限值；

其次，影響實(shí)際機(jī)械加工過(guò)程的因素很多，因此，必須根據(jù)實(shí)時(shí)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，建立過(guò)程自學(xué)習(xí)功能，并不斷修正和優(yōu)化設(shè)定的柔性換刀限值，從而真正做到實(shí)際加工過(guò)程刀具的柔性化管理，用足每把刀具的使用壽命，*終提高管理效率，降低產(chǎn)品的制造成本。

結(jié)束語(yǔ)

刀具作為機(jī)加工過(guò)程中重要的質(zhì)量影響因素之一，直接影響到企業(yè)的經(jīng)營(yíng)和效率?；诩庸ゎl次的常規(guī)刀具管理方法，無(wú)法有效地控制過(guò)程質(zhì)量和加工成本。隨著智能制造及大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，通過(guò)制造過(guò)程數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析和采集，挖掘出特征參數(shù)，并采用設(shè)定限值的方法可有效提高刀具的管理水平，利于企業(yè)生產(chǎn)性向上。

本文所提出的方法，在實(shí)踐中證明了其有效性。但針對(duì)制造過(guò)程數(shù)據(jù)的挖掘和特性量提取等核心技術(shù)，必須通過(guò)大量數(shù)據(jù)的自學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘進(jìn)行實(shí)時(shí)改善，以確保在生產(chǎn)過(guò)程存在各種變化點(diǎn)時(shí)，仍能達(dá)到較為滿意的效果。

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