導讀：數(shù)控加工技術是航空*制造技術的重要組成部分。隨著航空工業(yè)的不斷發(fā)展，航空制造業(yè)對數(shù)控加工技術的要求越來越高。而數(shù)控加工技術仍然存在著技術風險與問題，這種風險來自整個加工過程，如設備因素、人為因素、工件因素和刀具因素等。在實際的生產(chǎn)過程中，多軸數(shù)控加工過程并非一直處于理想狀態(tài)。切削力會導致彈性讓刀變形，殘余應力會引起工件的扭曲變形，機床振動、刀具磨損、切削熱等多種因素也會導致不同程度的加工變形。這就使得加工出來的零件和理論模型之間存在一定的偏差。在加工過程中一旦工藝參數(shù)選擇不合理，就會導致工件加工表面質(zhì)量差、設備加工能力得不到充分發(fā)揮，同時機床組件及刀具的使用壽命也會受到嚴重影響。
在實際加工過程中，采用傳統(tǒng)加工技術選用的加工參數(shù)一般過于保守，且無法根據(jù)產(chǎn)品實際的加工狀態(tài)進行加工過程的優(yōu)化。隨著*監(jiān)控技術與測試手段的不斷發(fā)展，借助*傳感技術、數(shù)據(jù)處理技術與控制技術等進行復雜數(shù)控加工全過程幾何信息、物理信息獲取、處理，進而發(fā)展出加工狀態(tài)自動判定與優(yōu)化的智能技術。這類技術一方面集成了車間長期的工程經(jīng)驗，另一方面集成了通過科學分析得到的理論模型，通過兩者的結(jié)合對實時加工狀態(tài)進行判斷，根據(jù)實時工況進行工藝參數(shù)的自適應優(yōu)化，實現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定、自動的控制加工過程并使其保持*狀態(tài)，進而獲得更高的加工精度和生產(chǎn)效率，從而實現(xiàn)加工過程控制從依賴技藝向依靠科學的方向發(fā)展。
關鍵技術
面向切削加工過程的自適應控制技術需要采用在線或在位的方式對加工過程中的切削力、主軸扭矩、工藝系統(tǒng)振動及刀具磨損等進行實時監(jiān)測、動態(tài)分析、工藝參數(shù)優(yōu)化以及反饋控制。因此，自適應控制技術的實現(xiàn)需要多種技術的支持，包括傳感器技術、信號處理技術、基于多傳感器信息融合技術、控制決策技術、數(shù)據(jù)庫技術等，其關系如圖1所示。
1傳感器技術
為了使系統(tǒng)能夠在復雜環(huán)境中、在無人干預的條件下正常工作，就必須使系統(tǒng)具有類似于人類的信息處理能力，即智能決策。而智能決策需要通過實時監(jiān)測加工過程來獲得信息。在線監(jiān)測直接面向加工過程，與具體設備和儀器相。因此，適用于加工過程的具有高實時性、高精度和高可靠性的傳感器是在線監(jiān)測的關鍵。用于加工過程監(jiān)測的傳感器主要有：功率傳感器、力傳感器、扭矩傳感器、聲發(fā)射傳感器、振動傳感器、攝像頭和激光。
（1）功率傳感器。
加工過程中的機床主軸或者驅(qū)動電機的功率可以通過功率傳感器獲得，根據(jù)監(jiān)測到的功率數(shù)據(jù)，可對功率變化中出現(xiàn)的起伏、波紋、尖峰及短時下降進行判斷和預測，從而通過相關算法對功率曲線做平滑處理。此外，主軸有效功率可以表征刀具的切削力，根據(jù)切削力與主軸功率的關系，可將實時監(jiān)測到的主軸功率轉(zhuǎn)換為刀具的切削力，從而獲得切削力的實時數(shù)據(jù)。
（2）力傳感器。
為實現(xiàn)對切削加工過程的可靠監(jiān)視，需要對金屬切屑分離過程所產(chǎn)生的力進行地測量和分析，從而識別出切削過程中出現(xiàn)的缺陷，如刀具磨損或斷裂，以及加工工件的損傷。切削力的測量可以采用直接法或間接法測量。在直接測量方法中，傳感器安裝在力的通道中，測量全部力，測量非常準確，與力的作用點無關；在間接測量方法中，部分力通過旁路傳遞，由于只有部分力作用在傳感器上，間接測力系統(tǒng)安裝后需要標定，系統(tǒng)的靈敏度與力的作用點有關。
（3）扭矩傳感器。
相對于有效功率，主軸扭矩能夠更準確地表征刀具的切削力。直接測量機床主軸的扭矩可以獲得更的切削力。鉆孔、攻絲和多主軸加工過程的監(jiān)測使用測量主軸扭矩的方法來獲得切削力尤為有效。在多主軸加工過程中，每一個主軸上的切削過程所消耗的功率都比總的功率小得多，因此，在這種情況下就不能用有效功率來表征切削力，而是通過主軸扭矩來表征切削力。
（4）聲發(fā)射傳感器。
在切削過程中當?shù)毒邤嗔褧r，會產(chǎn)生聲發(fā)射信號。聲發(fā)射傳感器能監(jiān)測到在切削過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，通過分析監(jiān)測到的信號可以獲得刀具的信息。聲發(fā)射傳感器對監(jiān)測小鉆頭和絲錐的破損尤為有效。在加工過程中傳感器可以監(jiān)測到非常小的聲發(fā)射信號，再與有效功率或者主軸扭矩相結(jié)合，能夠可靠地監(jiān)測到刀具的破損。尤其是在大型機床中監(jiān)測非常小的刀具以及多主軸加工過程中，更能突顯出聲發(fā)射傳感器的優(yōu)勢。
（5）振動傳感器。
在切削過程中掉刀、刀具破壞、機械碰撞等會產(chǎn)生異常的振動。振動傳感器可以監(jiān)測切削過程中機床結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動，通過分析振動可以監(jiān)測到掉刀、刀具破壞、工件超差、機械碰撞和嚴重的過程故障。振動傳感器也可以監(jiān)測機床主軸的振動，為加工過程中的振動預測與控制提供數(shù)據(jù)。
（6）攝像頭。
在多主軸加工過程中，分別監(jiān)測每個主軸成本比較高。這種情況下，可以采用攝像頭監(jiān)測全部主軸。攝像頭可以監(jiān)測20個或更多不同的主軸。在多鉆頭加工中攝像頭可以監(jiān)測每一個鉆頭的掉刀和破損。監(jiān)測系統(tǒng)在學習的時候，記錄并存儲多鉆頭的圖像，在監(jiān)測過程中通過比較輪廓來監(jiān)測每一個鉆頭。當光學識別系統(tǒng)性能優(yōu)于基于其他傳感器的系統(tǒng)時，它可以用于更多的過程監(jiān)測，例如檢查工裝，位置，完整性等。
（7）激光。
當切削刀具過于細小時，出現(xiàn)異常情況引起的波動比較小，使用功率傳感器、力傳感器無法監(jiān)測，或者沒有合適的位置安裝聲發(fā)射傳感器時，可以使用激光光柵。激光光柵可以提供一套可靠的刀具掉刀和破損監(jiān)測方案。激光光柵也可以監(jiān)測機床熱變形，例如監(jiān)測加工中心主軸的長度變形。激光的另一個應用是，通過分析工件的反射光監(jiān)測工件的粗糙度、顫振、切削的波紋等。
2信號處理
傳感器在加工現(xiàn)場采集到的模擬信號是不能被監(jiān)測系統(tǒng)直接使用的，需要轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號進而轉(zhuǎn)換為有實際意義的物理量。轉(zhuǎn)換過程一般包括轉(zhuǎn)換、放大、濾波、平滑等，這個轉(zhuǎn)換過程需要信號處理的。一般力、聲發(fā)射和振動傳感器都是壓電型傳感器，需要前置放大器把傳感器的電荷信號轉(zhuǎn)換成成正比例的電壓信號。聲發(fā)射放大器從傳感器獲得原始信號，并提供信號的學習條件、分析方法來增強聲發(fā)射監(jiān)測。通過使用放大、過濾和均方根平均，將原始聲發(fā)射信號轉(zhuǎn)換成有價值的聲發(fā)射信號，可以在較低的頻率下可視化和監(jiān)測。此外，振動放大器可配備過濾器和均方根轉(zhuǎn)換器，可以過濾掉無意義的噪聲獲得振動信息。監(jiān)測系統(tǒng)常用的解決方案是使用單獨的為特定類型傳感器設計的信號調(diào)理放大器。信號調(diào)理器封裝在一個密閉的盒子里，連接電纜用編織鋼網(wǎng)屏蔽保護，這樣可以保證他們的抗振動和電氣隔離的特性。因此，傳感器、連接電纜和調(diào)理器可以在惡劣的加工環(huán)境下工作。
3基于多傳感器的信息融合
由于加工過程中切削條件和切削狀態(tài)的多樣性，導致對切削過程進行準確監(jiān)控非常困難。傳統(tǒng)的基于單一傳感器的測量和分析往往難以保證識別精度。為了能夠更準確地獲得加工過程的狀態(tài)信息，需要使用多個相同或不同的傳感器從不同的方面進行測量。利用不同傳感器測量和輸出信息的互補性，采用多傳感器集成和信息融合技術，將描述同一個加工系統(tǒng)的多個物理量整合成系統(tǒng)的狀態(tài)向量，為系統(tǒng)的分析與診斷提供更全面的信息，使監(jiān)測結(jié)果更加真實、可靠。
zui簡潔的多傳感器信息融合方法是，將每個傳感器的測量數(shù)據(jù)單獨輸入到融合系統(tǒng)中，如果每個傳感器所提供的信息反映的是環(huán)境中*不同的方面，那么可以將每個傳感器提供的信息直接轉(zhuǎn)換為加工系統(tǒng)狀態(tài)向量的不同分量。該方法的主要優(yōu)點是融合算法簡單，運算量小。如果傳感器所提供的環(huán)境信息出現(xiàn)重疊，以及可能出現(xiàn)信息的冗余、矛盾和相關，甚至出現(xiàn)其中的某個傳感器影響其他傳感器的工作，則來自不同傳感器的信息就必須在多種表達層次上進行融合，zui終獲得加工系統(tǒng)的狀態(tài)向量。在這種情況下，多傳感器信息融合能獲得更的狀態(tài)信息。多傳感器信息融合主要有以下幾個方面的優(yōu)點：提高了信息的可信度、增加了系統(tǒng)狀態(tài)向量的維數(shù)、提高了系統(tǒng)的容錯能力。
4控制決策
控制系統(tǒng)獲得了加工系統(tǒng)的狀態(tài)信息之后，綜合分析加工過程中監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，獲取加工過程中的振動、切削力、切削溫度、刀具磨損、加工變形等數(shù)據(jù)，與理想的加工狀態(tài)對比。將實際狀態(tài)和理想狀態(tài)信息交給內(nèi)部專家系統(tǒng)處理，專家系統(tǒng)的推理機讀取知識庫中的經(jīng)驗數(shù)據(jù)和加工系統(tǒng)自身的信息，分析加工系統(tǒng)的狀態(tài)信息來判斷加工系統(tǒng)的運行狀態(tài)是否理想。根據(jù)加工系統(tǒng)運行狀態(tài)及切削參數(shù)與加工過程振動、變形等因素之間的關系選取優(yōu)化規(guī)則，動態(tài)優(yōu)化工藝參數(shù)使加工系統(tǒng)達到更優(yōu)的運行狀態(tài)。通過控制器硬件與機床nc系統(tǒng)之間的接口實現(xiàn)對機床主軸轉(zhuǎn)速、進給速度等切削參數(shù)的優(yōu)化控制。專家系統(tǒng)的原理如圖2所示。
5數(shù)據(jù)庫技術
基于數(shù)據(jù)庫技術的工藝參數(shù)庫主要包括機床、刀具、工件材料、冷卻潤滑、加工匹配、零件特征、切削參數(shù)、運行狀態(tài)等信息，其中機床、刀具、工件材料、冷卻潤滑、加工匹配、零件特征給出了工藝系統(tǒng)的基本信息，切削參數(shù)、運行狀態(tài)描述了工藝系統(tǒng)在不同工藝參數(shù)下的運行狀態(tài)信息。工藝參數(shù)庫是工程實踐中長期積累的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，具有實際應用價值，可以為專家系統(tǒng)的決策提供工程經(jīng)驗。
專家系統(tǒng)將機床、刀具、工件材料、冷卻潤滑、加工匹配、零件特征等工藝系統(tǒng)信息與切削參數(shù)、運行狀態(tài)的匹配關系作為參數(shù)優(yōu)化的規(guī)則，以工藝系統(tǒng)當前的運行狀態(tài)為基本事實，依據(jù)加工過程理論模型及工藝參數(shù)庫中的經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行演繹推理，zui終得到系統(tǒng)當前的優(yōu)化參數(shù)。專家系統(tǒng)推理機的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)如圖3所示。
已有產(chǎn)品及應用現(xiàn)狀
近年來，國內(nèi)外針對加工過程的監(jiān)測與自適應控制技術在航空發(fā)動機制造中的應用開展了不同層次的研究工作，典型的商用系統(tǒng)包括omative自適應控制系統(tǒng)、artis刀具和處理監(jiān)控系統(tǒng)、brankamp-cnc集成刀具監(jiān)控、montronix監(jiān)控系統(tǒng)、nordmann刀具監(jiān)測與過程控制系統(tǒng)等，這類監(jiān)控系統(tǒng)所使用的主要傳感器如表1所示。
1omative自適應控制系統(tǒng)
omative自適應系統(tǒng)將自適應控制技術應用在數(shù)控機床上，在加工過程中根據(jù)切削力實時優(yōu)化切削的進給速度，在保證刀具不受損壞的前提下提高加工效率。omative自適應系統(tǒng)主要功能：提高加工效率；保護刀具、機床、工件不受損害；實時監(jiān)控、記錄切削加工狀況。刀具進給速度與切削厚度的關系如圖4所示。以色列omative公司做了大量工件切削對比實驗，omative自適應系統(tǒng)能夠大幅提高加工效率。omative自適應控制系統(tǒng)因其實用性*，現(xiàn)已被國外許多公司使用，如siemens、boeing和generalelectric等。國內(nèi)航空航天、紡織、家電等行業(yè)的企業(yè)也陸續(xù)使用該產(chǎn)品。
2artis刀具和處理監(jiān)控系統(tǒng)
artis刀具監(jiān)控及機床狀況監(jiān)控系統(tǒng)是由德國artis公司研發(fā)的實時在線監(jiān)控系統(tǒng)。在加工過程中，可準確地檢測到斷刀、鈍刀及掉刀狀況。一旦出現(xiàn)異常狀況，機床便立刻停機，避免刀具、工件及機床的再一次損傷。采用artis的各種傳感器，可對加工及機床狀況進行監(jiān)控。采用不同的監(jiān)控方式還可有針對性地為用戶帶來更多益處，如采用artis的自適應控制，不但可對刀具及機床狀況進行監(jiān)控，同時還可以對加工周期進行優(yōu)化，有效提高機床的加工效率。
3brankamp-cnc集成刀具監(jiān)控
brankamp監(jiān)控系統(tǒng)依據(jù)特定的監(jiān)測限度保護設備，任何不規(guī)則力的形態(tài)都會馬上被監(jiān)測出來，甚至是任何zui微小的誤差，在造成主要的傷害之前，這個監(jiān)測系統(tǒng)立即發(fā)現(xiàn)并做出反應，如圖5所示。brankamp監(jiān)控系統(tǒng)為所有的金屬切割、沖壓、冷鍛等制造過程提供過程監(jiān)測。brankamp主要服務對象包括沖壓、冷成型加工、金屬切割等加工設備，主要應用于汽車制造行業(yè)、緊件加工行業(yè)、手機制造業(yè)、半導體加工行業(yè)、食品和飲料金屬包裝等行業(yè)領域。安裝brankamp監(jiān)測系統(tǒng)可以保護機械設備和昂貴模具,減少廢品和設備維修時間，節(jié)約成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，同時具有在線監(jiān)控以及可視化結(jié)果功能。
4montronix刀具和過程監(jiān)控系統(tǒng)
montronix刀具和過程監(jiān)控系統(tǒng)使用一個或多個壓力、扭矩、振動、功率傳感器和一個處理器,獲得實時的關于切削刀具、機床和加工過程的監(jiān)控數(shù)據(jù)。該監(jiān)控系統(tǒng)可以給制造系統(tǒng)的機床、刀具、工裝夾具、加工工件等提供保護，嚴格控制工件的加工質(zhì)量，提高加工過程的安全和可靠性，減少加工成本。配套的可視化軟件（m-view）使得機器操作者能夠快速而地評估加工過程。其圖形化顯示包括：過程偏差，刀具損壞，逐漸增加的磨損量等，系統(tǒng)可以對這些信息進行記錄和評估。該系統(tǒng)可以在加工過程中的任何時候進行可視化顯示。
5nordmann刀具監(jiān)測與過程控制系統(tǒng)
nordmann的解決方案可對加工過程中的刀具破損、磨損進行檢測，對碰撞干涉、刀具負載平衡狀態(tài)進行監(jiān)控，從而對刀具和機床進行保護。此外，該系統(tǒng)還可以對工件的非正確裝卡狀態(tài)、錯誤的工件毛坯尺寸等進行檢測并在機床內(nèi)對工件zui終形狀進行尺寸控制，從而保證產(chǎn)品的加工質(zhì)量。在加工效率方面，nordmann監(jiān)控系統(tǒng)可以通過間接方式對金屬切削過程中的有效功率、切削力等進行控制，從而可以減少空切時間、延長刀具使用壽命、zui大化進給與轉(zhuǎn)速以提高加工效率。nordmann監(jiān)測系統(tǒng)可擴展下列額外的測量系統(tǒng)：力傳感器、聲發(fā)射傳感器、有功功率測量器、工件的有聲尺寸監(jiān)測、光學激光傳感器、直接安裝于刀具切入部分的傳感器（圖6）。在監(jiān)控過程中，該系統(tǒng)可以實時生成測量數(shù)據(jù)并顯示在pcu50/pcu70模塊的操作面板上，并可對刀具的磨損、破損等狀態(tài)進行評估。應用范圍上，nordmann監(jiān)控系統(tǒng)可用于cnc車床、加工中心、磨床等設備加工過程中的功率、力、扭矩等物理量的監(jiān)測與控制。
結(jié)束語
切削加工過程的在線監(jiān)測與控制系統(tǒng)已在國外廣泛應用，并取得了顯著的效果。但是，這類系統(tǒng)在國內(nèi)并未得到廣泛應用。隨著復雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的廣泛應用、產(chǎn)品服役性能對產(chǎn)品加工質(zhì)量要求的不斷提升，以及生產(chǎn)企業(yè)對產(chǎn)品低成本率加工的不斷追求，采用相應的監(jiān)控與優(yōu)化系統(tǒng)對切削加工過程進行在線監(jiān)控并進行切削參數(shù)的在線優(yōu)化已逐漸成為智能加工技術研究與工程應用的重點，并將隨著數(shù)控加工技術以及復雜產(chǎn)品加工需求的發(fā)展而得到廣泛應用。
（文章來源：航空制造網(wǎng)）