數(shù)控系統(tǒng)智能刀具管理

■武漢華中數(shù)控股份有限公司 （湖北武漢 430223） 晏 偉 劉 濤 肖學(xué)鵬 賈 衡 蔡 飛

1. 刀具管理功能

隨著現(xiàn)代加工技術(shù)的發(fā)展，刀具作為加工生產(chǎn)的主要資源，其材料、形狀和加工條件等各種要求也越來(lái)越多。為了提高加工效率及質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)一次裝夾完成多工序加工或連續(xù)自動(dòng)化加工的目的，需要數(shù)控系統(tǒng)具有對(duì)各種不同的刀具及其信息進(jìn)行統(tǒng)一管理的功能，即刀具管理功能，主要有以下幾個(gè)方面。

（1）刀具信息管理 每把刀具都包括兩種信息，一種是刀具描述信息，即靜態(tài)信息，如刀具名稱、幾何參數(shù)（刀具長(zhǎng)度和刀具半徑等），手動(dòng)輸入并且不再變化；另一種為刀具狀態(tài)信息，即動(dòng)態(tài)信息，如刀具所在位置、刀具壽命（使用次數(shù)、使用時(shí)間和磨損量等），在輸入后，隨著刀具的使用，數(shù)據(jù)會(huì)不斷更新，系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄并統(tǒng)計(jì)。

（2）刀具位置調(diào)度管理 刀具的位置調(diào)度管理就是根據(jù)刀具的信息，按照一定的選刀策略，及時(shí)而準(zhǔn)確地將所需的新刀具裝到主軸上，并將舊刀具歸還刀庫(kù)備用，具有備刀功能的機(jī)床，還可將后續(xù)所需的刀具提前放至備刀區(qū)域，以節(jié)省下把刀的換刀時(shí)間。

（3）刀具特殊屬性管理 隨著刀具種類(lèi)的增多，有些刀具有特殊的屬性需要設(shè)置，且對(duì)使用有特殊要求，需要單獨(dú)處理，例如需要對(duì)使用時(shí)主軸的最高速度進(jìn)行限制、內(nèi)冷卻功能刀具在使用時(shí)需要打開(kāi)內(nèi)冷卻等。

隨著近年來(lái)人工智能技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，傳統(tǒng)行業(yè)與人工智能技術(shù)融合加深，對(duì)定制化、精細(xì)化數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出旺盛的需求。作為數(shù)控系統(tǒng)重要功能的刀具管理，也邁入數(shù)字化、智能化的時(shí)代，通過(guò)豐富刀具數(shù)據(jù)信息的采集方式、采集種類(lèi)，并對(duì)其進(jìn)行定向分析，為用戶提供更多、更好、更便捷的功能，實(shí)現(xiàn)智能的刀具管理方案。

2. 智能刀具信息管理

智能刀具管理中刀具數(shù)據(jù)信息的采集方式更加多樣化，不再局限于手動(dòng)方式更改，支持直接在機(jī)測(cè)量刀具幾何數(shù)據(jù)并錄入數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行管理，也支持R F I D電子標(biāo)簽等第三方數(shù)據(jù)錄入及管理。

（1）在機(jī)測(cè)量刀具幾何數(shù)據(jù)錄入 華中數(shù)控系統(tǒng)的刀具自動(dòng)測(cè)量功能，可按照表格及提示步驟（見(jiàn)圖1），設(shè)置好關(guān)鍵參數(shù)，自動(dòng)生成測(cè)量程序，自動(dòng)調(diào)用設(shè)置的各個(gè)刀具進(jìn)行刀具長(zhǎng)度、半徑的幾何尺寸測(cè)量，并自動(dòng)錄入刀補(bǔ)表中。

自動(dòng)在機(jī)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)包括：①可實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作，減少人為原因造成的數(shù)據(jù)錄入錯(cuò)誤。②在實(shí)際裝夾條件及正常加工轉(zhuǎn)速下測(cè)量刀具，可即時(shí)測(cè)出并修正主軸誤差及刀具裝夾誤差，在產(chǎn)生次品前對(duì)偏擺進(jìn)行檢查，提高測(cè)量精度。③刀具測(cè)量嵌入加工過(guò)程，實(shí)現(xiàn)更高生產(chǎn)效率，縮短停機(jī)設(shè)定時(shí)間。④機(jī)內(nèi)在線監(jiān)控刀具幾何尺寸，進(jìn)行刀具破損和刀具磨損的檢查，避免刀具破損導(dǎo)致的后續(xù)損失。

（2）基于RFID的刀具數(shù)據(jù)智能管理 華中數(shù)控基于RFID的刀具數(shù)據(jù)智能管理，可實(shí)現(xiàn)車(chē)間級(jí)多機(jī)臺(tái)的刀具集中管理和自動(dòng)錄入。RFID數(shù)據(jù)錄入可實(shí)現(xiàn)以下功能。

1）刀具參數(shù)電子化傳遞。刀具和RFID標(biāo)簽綁定為一體，不會(huì)遺漏；刀具的參數(shù)信息和補(bǔ)償信息集成到標(biāo)簽，傳輸不會(huì)出差錯(cuò)；刀具信息電子化，受環(huán)境干擾小。

2）刀具定位和信息集成。刀具實(shí)時(shí)跟蹤，刀具信息隨時(shí)查詢；便于刀具統(tǒng)計(jì)管理；便于刀具質(zhì)量控制和倉(cāng)庫(kù)控制。

3）刀具壽命檢測(cè)和控制。有效記錄刀具使用過(guò)程，壽命可跟蹤；向用戶提供追溯連續(xù)質(zhì)量控制過(guò)程的能力，不會(huì)由于刀具拆卸至其他機(jī)床導(dǎo)致前期數(shù)據(jù)丟失。

RFID使用流程：刀具修整→刀具數(shù)據(jù)測(cè)量→刀具數(shù)據(jù)（含工藝參數(shù)）錄入RFID→NC讀取裝入刀具RFID信息→NC更新卸載刀具的信息，如圖2所示。

RFID標(biāo)簽與NC連接及數(shù)據(jù)交互如圖3所示，標(biāo)簽數(shù)據(jù)通過(guò)RS232或以太網(wǎng)接口與NC裝置連接，數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)PLC中的RFID讀寫(xiě)器（標(biāo)簽讀取或?qū)懭肽K）進(jìn)行刀具數(shù)據(jù)的交互，數(shù)據(jù)包括刀具幾何參數(shù)、刀具壽命和工藝參數(shù)等。

圖1 表格及提示步驟

圖2 RFID使用流程

圖3 RFID標(biāo)簽與NC連接及數(shù)據(jù)交互

3. 智能刀具調(diào)度管理

智能刀具調(diào)度管理不僅局限于刀具位置的調(diào)度管理，還可以通過(guò)實(shí)時(shí)采集、分析處理刀具使用中的電控大數(shù)據(jù)，進(jìn)行刀具壽命預(yù)警或刀具斷刀檢測(cè)，避免刀具損壞后出現(xiàn)批量廢品。

（1）智能刀具壽命管理 原有刀具壽命只簡(jiǎn)單對(duì)刀具加工時(shí)的使用次數(shù)和使用時(shí)長(zhǎng)中的一種進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，只能粗略反饋刀具實(shí)際壽命，華中數(shù)控智能刀具壽命管理對(duì)刀具壽命的統(tǒng)計(jì)類(lèi)型不僅增加切削里程、切削能耗和主軸轉(zhuǎn)數(shù)等，還可以對(duì)其中的一種或多種類(lèi)型單獨(dú)設(shè)置權(quán)重進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)。

智能刀具壽命管理的優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)增加刀具壽命的采樣類(lèi)型，可統(tǒng)計(jì)更多與刀具壽命相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，特別適用于比較復(fù)雜的加工場(chǎng)景，如零件毛坯尺寸、密度差異較大時(shí)，每件工件加工刀具的損耗不一，采用智能刀具壽命管理就可以很好地解決此類(lèi)問(wèn)題。

刀具壽命管理方式即刀具壽命計(jì)數(shù)類(lèi)型，除了傳統(tǒng)的安裝次數(shù)、切削時(shí)間方式外，還包含了切削里程、切削能耗和主軸轉(zhuǎn)數(shù)等。切削里程指系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算的刀具在零件上的切削軌跡長(zhǎng)度，銑床切削里程＝刀具周長(zhǎng)×主軸轉(zhuǎn)速，車(chē)床車(chē)削里程＝工件周長(zhǎng)×主軸轉(zhuǎn)速。切削能耗指系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算的刀具執(zhí)行切削指令時(shí)主軸所產(chǎn)生的能耗。主軸轉(zhuǎn)數(shù)指刀具切削時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)累計(jì)的主軸旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。

除此之外還新增了權(quán)重設(shè)置及報(bào)警策略選擇功能。權(quán)重根據(jù)管理方式的優(yōu)先級(jí)設(shè)置，優(yōu)先級(jí)越高的權(quán)重越大。一票否決策略是指當(dāng)綜合刀具壽命管理方式中的任何一種方式顯示壽命結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)提示“刀具壽命已完”。加權(quán)之和策略是指當(dāng)綜合刀具壽命管理方式中所有方式都顯示壽命結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)提示“刀具壽命已完”。加權(quán)之和＝（方式1的已用壽命/最大壽命）×權(quán)重＋（方式2的已用壽命/最大壽命）×權(quán)重＋……＋（方式n的已用壽命/最大壽命）×權(quán)重。

（2）智能斷刀檢測(cè) 通過(guò)采集正常加工時(shí)的主軸功率波形圖，設(shè)置斷刀模塊特征參數(shù)，計(jì)算斷刀閾值，實(shí)時(shí)進(jìn)行斷刀報(bào)警（目前僅支持鉆孔斷刀檢測(cè)，鉆頭直徑＞1.6mm）。在用戶處加工實(shí)測(cè)的報(bào)警準(zhǔn)確率在99%以上，極大地減少了因斷刀造成的后續(xù)工序刀具損失。

智能斷刀檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)：①無(wú)需外加傳感器，無(wú)額外設(shè)備成本，只需以HSV-180US系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)上傳的實(shí)時(shí)主軸功率信息為主要依據(jù)。②斷刀檢測(cè)與數(shù)控加工同時(shí)進(jìn)行，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控而不影響機(jī)床正常加工。③實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的斷刀檢測(cè)服務(wù)，避免了后續(xù)刀具及零件報(bào)廢，提高了自動(dòng)化生產(chǎn)線的產(chǎn)品直通率。

智能斷刀檢測(cè)的原理：通過(guò)采樣加工時(shí)主軸的輸出功率，分析整個(gè)鉆孔加工過(guò)程中主軸功率的時(shí)域變化（見(jiàn)圖4），再通過(guò)處理特征數(shù)據(jù)提取出加工過(guò)程的占空比，判斷是否在加工過(guò)程中出現(xiàn)斷刀現(xiàn)象。

圖4 主軸功率的時(shí)域變化

圖4中黑色框?yàn)橐粋€(gè)完整的孔加工段數(shù)據(jù)（假設(shè)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為n1），藍(lán)色框?yàn)槠渲杏行Ъ庸ざ蔚臄?shù)據(jù)（假設(shè)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為n2）。比率值l就是兩個(gè)點(diǎn)數(shù)之比（l=n2/n1）。一般而言，對(duì)于正常加工數(shù)據(jù)，比率值在0.5以上。一旦監(jiān)測(cè)到一個(gè)孔的比率值低于比率閾值，就判定為斷刀。

為了提高斷刀檢測(cè)的準(zhǔn)確性，功能模塊進(jìn)行了數(shù)據(jù)濾波。這里選取的是滑動(dòng)平均平滑濾波，濾波強(qiáng)度指的就是滑動(dòng)窗口的大小。模塊設(shè)定的濾波強(qiáng)度范圍為10～50ms。濾波強(qiáng)度越大，分析的數(shù)據(jù)越平滑，越能排除異常數(shù)據(jù)的影響，從而減少誤報(bào)幾率。

4. 結(jié)語(yǔ)

智能刀具管理更多地采用自動(dòng)化、數(shù)字化的方式進(jìn)行刀具數(shù)據(jù)的收集、傳輸，并對(duì)刀具使用中所產(chǎn)生的速度、位置和電流等大數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，為用戶提供格式化后的刀具里程、刀具轉(zhuǎn)數(shù)、功率及能耗等可視化數(shù)據(jù)，并以此為依據(jù)提供更多實(shí)用性功能，從而提高機(jī)床自動(dòng)化、智能化水平。