白书鹏 胡松军

【摘 要】随着经济和科技水平的快速发展，数控加工就是机床按照事先设定好的程序进行加工作业，实现对加工难度高、加工程序复杂的零部件进行加工，比如轴类部件、盘类部件等。在现阶段自动化技术的应用下，数控加工的生产效率不断提高，生产的质量越来越好，在为企业带来足够利益的同时，也提供了很大的便利。但数控加工仍然存在很多质量上的问题，影响加工的进行。刀具长度补偿作为数控机床的重要功能，需要操作者熟练掌握并灵活运用，才能保证产品加工质量。在实际生产中，尤其是大中型壳体数控加工过程中，常常需要操作者频繁更改刀长，同时，由于加工过程产品变形，为了保证产品质量及加工精度，操作者需根据测量结果对刀长进行修正。在频繁的人为干预过程中，刀长输入错误的问题时有发生，从而导致产品超差、报废、甚至机床碰撞等安全事故，带来巨大的经济损失。

【关键词】刀具磨损;振动信号;预测性维护

引言

数控机床主轴刀具磨损程度对于零件生产加工的成品率起决定性作用。要实现无人化工厂，需要将各个工艺段实现无缝对接。为保证零件加工的成品率，开发了基于振动监测的数控机床刀具预测性维护系统。系统以主轴刀具的振动信号为数据源，重点对振动信号进行采集、分析，对零件加工过程中刀具的磨损程度与振动信号关系进行研究分析。为数控机床主轴刀具加工零件过程中的及时预警提供了理论与试验条件，实现了零件生产加工过程的预测性维护。

1刀具磨损分析

为保证产品的尺寸精度，按刀具磨损的阶段不同，加工一定数量产品后对刀具磨损进行手工输入或按加工一定数量后抽检零件尺寸对刀具磨损进行手工输入的方式抵消刀具加工过程中磨损量对产品尺寸的影响。该解决方法显然存在不科学不合理性，主要问题表现为：操作者需要根据刀具不同阶段，加工数量进行刀具磨损补偿，极易出错;刀具磨損是按规律变化的，如加工一定数量后再进行刀具补偿存在尺寸稳定性不高，尺寸统一性较差;操作者凭经验去判断补偿量，缺乏科学性和合理性;手动进行刀具磨损量的补偿，导致加工效率低。为解决上述问题，需寻求零件加工程序的优化，以实现稳定、可靠的切削加工。

1.1刀具制造的误差

在数控加工中，刀具是必不可少的一环，也是加工质量的影响因素之一。刀具的制造在生产和设计的过程中都会出现一些误差，或设计误差，或制造误差，误差的存在就会导致刀具在数据加工中出现质量方面的问题。另外，刀具在生产过程中的误差虽然能够得到有效控制，但随着时间的流逝，误差越来越大，影响零件的加工精度，降低产品的质量。

1.2刀具与零件表面切削力变化

在数控机床生产加工的过程中，刀具磨损会引起刀具与零件接触面之间切削力的变化，刀具磨损后，刀具表面变粗糙，刀具头钝化，此时刀具与加工零件之间的摩擦力会变大，振动幅度也会变大。由于振动的变大，刀具与加工零件之间的相对位置会不稳定，加工精度降低，当磨损到一定程度会产生废品废件，同时刀具寿命会进一步减少。

1.3切割量

切割量对于数控机床的加工质量也有着很大的影响，由于切削量的不同，加工的精度也不尽相同。切割量的变化是随着进给量和速度以及深度等变化而变化。在数控加工中，每一个选择的确定都会影响加工的精度，也会影响零件在加工后表面的粗糙程度。因此，在这个过程中，通过控制切割量的变化能够有效提升加工精度。比如说，在加工操作的过程中，背吃刀量的选择就会影响加工的质量。

2提高数控加工质量的措施

2.1刀具长度补偿设置防错应用

由于该壳体网格在铣削加工过程中存在变形，精加工过程操作者需根据网格测量值对刀长进行补偿，受人为操作的不确定性影响，刀长输入错误的问题时常发生。通过引入刀长补偿防错功能，在加工程序中加入防错子程序，仅需操作者更改刀具适配器中的长度尺寸。当执行到子程序时，机床提取当前刀具的补偿值，并将该值与事先预设的阀值进行比较。当补偿值在阀值内时，程序正常运行;当该补偿值超过阀值时，机床报警，程序暂停运行，操作者可根据提示对刀长值进行检查。

2.2人机交互软件

目前上位分析软件主要针对振动信号分析设计开发，实现对主轴电机振动信号采集，将刀具加工零件过程中的振动信号实现实时分析计算，利用计算机记录存储刀具的振动参数，如：加速度、速度、位移等，设备一旦出现故障前兆及时报警并尽可能多的采集故障信号，为故障提前判断预警和分析故障原因提供可靠的数据，软件可自动生成曲线、报表、日数据库、历史数据库及报警库等。登录用户名和密码，进入主界面，在曲线中选中一个加工周期即生成一条曲线，曲线图标的Y轴纵坐标及X轴横坐标具有放大、缩小功能。

2.3刀具磨损信号特征提取

刀具磨损状态监测采用工业传感器采集的信号作为状态识别模型输入值，选择、提取输入值过程被称为特征工程，信号特征提取的好坏直接影响机器学习算法建立模型性能的优劣.机床加工过程中，信号采集传感器按照就近原则安装在机床部件上.由于机床刀具通常为旋转部件，因此传感器通常固定安装在与刀具靠近的工作台上，监测加工过程中的切削力、切削振动及机床主轴电机功率等多种物理信号，多数情况下采集的信号数据密集并且包含噪声干扰，与刀具状态映射关系不明显，同时庞大的数据量对处理系统计算能力要求较高.在特征工程中，采用时频域处理法能有效去除采集数据的噪声干扰部分，提取出明显反映刀具状态的特征值。

结语

加工程序员在开展自动编程的过程中，必须要结合数控加工需求的实际情况，针对影响数控加工精准度的因素进行深入分析，严格设置各种参数，切实生成正确科学的刀具轨迹。基于振动监测的数控机床刀具预测性维护可以实现刀具磨损的提前预警，通过研华MIC-1816R对振动信号进行实时汇总采集，上位机软件分析处理，提前预测刀具可能出现的磨损和断刀情况，将刀具的各种状态及报警状态在上位界面进行显示，操作人员通过人机交互界面根据不同刀具的磨损情况提前进行相关智能化操作。这种提前对刀具寿命进行预测的方式极大提高了企业的生产效率，减少了人工劳动量，避免了废品废件的产生，对企业实现智能化运维具有极其重要的意义。其所蕴含的巨大的市场潜力与价值，在未来具有广阔的市场前景。

参考文献：

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（作者单位：河南工学院）