刀具状态监控技术在数控铣削加工中的应用--以 ARTIS 刀具监控系统为例
2024-9-18 来源：贵州航空工业技师学院 作者：周 嫄
摘要：在数控铣削加工过程中，刀具会随着使用频次的增加以及时间的延长而出现磨损和断裂的问题，这会导致零件的加工精度逐渐降低，容易导致零件出现质量问题，也会对机床产生损坏等不良影响。因此，重视对刀具状态的监测对于提升铣削加工效果与质量非常重要。文章主要对刀具状态监控技术展开研究，概述了刀具状态监控技术的发展现状、实现原理和监控策略，以 ARTIS 刀具监控系统为例，分析了刀具状态监控技术在数控铣削加工中的应用，并对该技术的发展前景进行了展望，以期推动数控铣削加工的效率与质量的双向提升。
关键词：刀具状态监控技术；ARTIS 刀具监控系统；数控铣削加工；传感器
由于我国的航空结构件等零件的复杂程度较高，而汽车等行业零件的复杂程度相对较低，在铣削加工过程中，在监控刀具状态上主要是操作员根据声音、振动等信息和经验来进行判断，而在这种刀具监控状态下需要投入大量的人力，同时刀具状态监控的准确性会受到人为因素的影响。随着时代的进步、科技的发展，数控铣削加工逐渐向现代化、智能化的方向发展，那么刀具状态的监控也要逐渐向自动化、无人化的方向发展，逐步实现刀具的自动监控状态，这样能够节省大量的人力，并在一定程度上能够更好地提升刀具状态监控的精确性。
1、刀具状态监控技术概述
1.1 刀具状态监控技术的发展现状
近年来，在零部件等的生产、加工过程中，为了能够提升加工效率、降低加工成本，重视刀具的选择与状态的监控非常重要。为了能够保障刀具发挥更好的状态，运用科学、恰当的控制理论、传感技术、切削技术以及计算机处理技术等，能够提升数控机床的信息化与智能化水平，其是零件加工水平提升必不可少的技术和内容。目前，国外在刀具监控系统的研发方面，已经推行出 OMATIVE、ARTIS 等系统，这些系统既能够监控系统状态，也能够对系统加工状态进行学习和记录，并对机床及控制系统发送指令进行操作，这些技术的应用效果非常显著 [1]。
1.2 刀具状态监控技术的实现原理
在监控刀具状态时，其监控原理主要以采集、评价加工系统信号为主。在采集系统信号时，传感器是主要的途径与手段，通过制定科学、有效的适应策略来对加工信号进行评价。同时传感器的灵敏度、分辨率等指标会对刀具监控效果产生直接性的影响。传感器在获得原始信号后需要进行滤波、调节与转化成数字信号，将刀具状态与数字信号进行关联，从而实现刀具状态的监控。
1.3 刀具状态监控技术的监控功能
按照刀具状态监控系统软、硬件以及加工工艺条件的不同，将监控功能分为刀具寿命评价、模式识别、分段阈值、固定阈值。
（1）刀具寿命评价主要通过构建振动、力等参数和刀具寿命关系模型，采集刀具加工过程中振动、力等信号来对刀具寿命进行评估，从而实现监控加工过程的目标。
（2）模式识别是实现刀具状态监控的重要功能之一，通过构建数据库，将异常加工状态信号进行收集、整理、对比与分析，能够有效发挥出模式识别的监控效果，实现监控目标。
（3）分段阈值主要是对加工过程进行分段分析，结合单个加工周期刀具路径以及复杂多变的加工参数，将所采集的信号和相对应分段阈值予以比较和分析，最终实现对加工系统监控的目标。
（4）固定阈值的功能主要采集加工系统的原始信号，结合初始信号的采集情况来对固定阈值予以设置和调整，经过信号与阈值的对比与分析，借助固定阈值更易于实现刀具加工状态监控目标。
当前，常用的刀具状态监控系统主要有过载保护系统、集成刀具监控系统以及 ARTIS 刀具监控系统等，而应用最普遍的刀具状态监控系统是 ARTIS 刀具监控系统，其商业化应用效果较为显著 [2]。
2、刀具状态监控技术在数控铣削加工中的应用—以 ARTIS 刀具监控系统为例
在数控铣削加工过程中，做好刀具状态的监控工作，能够减少不必要的变故和损失，能够对数控铣削加工提供有效的保障，对于提升加工效率与加工质量非常有利。文章主要对常用的 ARTIS 刀具监控系统进行研究与分析，通过对其构成以及应用展开分析，能够对刀具状态实施优化监控，对于提升刀具使用效果和加工质量较为有利。
2.1 ARTIS 刀具监控系统的构成
2.1.1 信号监测系统
信号监测系统能够对多种信号进行处理，如 VG4、 CFM-4、KU4、MU4、DTA 等 信 号。 其 中，VG4 信 号主要在振荡监测传感器系统中使用；CFM-4 信号主要在采集力信号的监测传感器系统中使用；KU4 信号主要在采集结构传播噪声信号的监测传感器系统中使用；MU4 信号主要在采集功率信号监测传感器系统中使用；DTA 信号主要用于采集数控系统内的信号 [3]。
2.1.2 过程监测系统
过程监测系统（CTM）是 ARTIS 刀具监控系统的主要硬件之一。在监控刀具应用状态时，过程监测系统能够对传感器收集的所有信号予以处理，而后再将处理后的信号传输给机床进行操作和加工。在应用过程监测系统时，每个监测系统都有最大的检测量，一般不超过 8 个轴，如果超过 8 个轴，需要扩展过程监测系统，这样才能够保证满足刀具状态监测的需求。
一般情况下，ARTIS 都含有一个 CTMVISU 接口软件，该软件能够实现各类连接设置，也能够设置零件加工的监控参数，通过 PLV 信号即可控制机床，如遇故障能够发出报警和提示 [4]。
2.1.3 传感器
在 ARTIS 刀具监控系统中，传感器的功能和性能涵盖碰撞检测、工作台受力监控、刀具受力和扭矩监控、刀具位移监测、多轴监控、实际功率监测、冷却液监控、声发射监控以及振动监测等。碰撞监测利用三向加速度传感器对数控机床的铣削工作台进行实时监测，以检测刀具、夹具和工件之间是否发生碰撞，响应速度非常快，能够达到毫秒级别的精度。工作台受力的方向和大小的监测通过工作台受力监控实现，这对于监测的准确性具有直接影响。对于易损、易磨损的刀具以及加工接触区域较大的工件，采用扭矩信号监测可以实现对其进行监测。采用高精度、高转速加工时，主轴在高速旋转后由于热膨胀可能会发生位移，因此可以采用非接触式测量方法来监测刀具的位移情况。
同时，为了可靠地监测刀具的故障、磨损等加工缺陷，需要进行多轴监控。为了拓展刀具状态监控系统的应用范围，可以使用霍尔传感器对数控机床的铣削加工实际功率进行监测，从而扩大其应用范围 [5]。
在数控机床铣削加工过程中，切削的杂质如果混入到冷却液中，会导致冷却液压力出现下降，这会对数控机床铣削加工产生不良影响。通过在线监测冷却循环系统的内压力值，能够最大化地保障冷却液功能的正常发挥。除此之外，振动传感器、声发射传感器的监测也都非常重要。目前，现代加工的主轴转速较快，刀具容易出现失衡的问题，这会导致刀具寿命和主轴寿命缩短，加工质量降低，如果将振动传感器安装到机床主轴上，可以通过振动信号来监测刀具状态。
通过将声发射传感器安装到数控机床主轴上，可以通过对加工过程中宽波带信号、高频信号等进行采集，从而有效提升刀具状态的监控效果 [6]。
2.2 数控铣削加工中 ARTIS 刀具监控系统的应用
在数控铣削过程中，要想高效地实现数控编程，就需要对所有的零件进行有效识别，识别零件后才能够运用相应指令进行调用。在数控前置程序中插入指令并写入刀具信息，在后置处理时可以生成相应的监控指令。将 ARTIS 刀具监控系统应用到数控铣削加工过程中，ARTIS 系统可以优化加工工艺参数，是一种非常有效的工具。将 ARTIS 系统与传统的切削振动监测和加工表面质量观察等加工工艺参数有效结合和运用，可以客观判断预评价刀具的加工参数能够对刀具的加工状态进行监督，通过运用刀具监控系统的学习功能来对数控机床的加工状态参数进行调整和优化，使得数控机床的工作效果更好，机床运行状态更加稳定和高效。ARTIS 刀具监控系统能够在标准状态下以及过程状态下对零件等的加工情况进行实时监控，有利于提升各类零件加工有效性。
例如，在将刀具状态监控系统应用到航空制造中时，鉴于飞机结构的复杂性，其零部件也非常多，那么飞机所有零件的加工标准、精度与要求也相对较高，在加工时候也会遇到许多不可预见的问题。如果遇到非常复杂的零件结构时，那么不能够单一地运用一组监控数据来确定零件的性质，这会导致刀具状态监控的结果不精准，并会大幅降低监控系统的科学性。针对不同零件的加工过程，在监控过程中如果使用一组统一的参数来监控，监控精准度和针对性都较低，很难实现刀具状态监控的目标。因此，在设置监控参数时，需要结合零件的差异化特征制定不同的加工方案，并设计相应的监控参数，以提升数控铣削加工零件的效果，并确保刀具发挥其最佳作用和价值 [7]。为了能够对上述问题进行更好地优化与解决，刀具状态监控系统要结合零件结构的实际特征，运用不同类别的监控方案或者方法，通过对不同加工方案的学习与积累，在监控刀具状态时能够更加游刃有余、灵活多变。
在运用 ARTIS 系统进行数控铣削加工时，为了获得合适的加工监控参数，需要基于大量数据，结合不同刀具、不同特征和不同加工模式来进行加工参数调整，操作人员也需要全面了解和掌握作业规范，保证能够及时、正确地处理 ARTIS 系统的监控报警，以提升数控铣削加工的实效性、科学性和质量水平的智能化 [8]。
3、刀具状态监控技术的发展方向
3.1 传感器进一步优化
在数控铣削加工过程中，刀具状态监控技术的应用是一个关键领域。通常，各类有线的传感器会被固定到机械加工机床的主轴、工作台以及工件的表面上，这些有线的传感器主要用于采集与感知设备信号。如超声波传感器、测力仪以及加速度传感器等，这些有线的传感器在信号的采集过程中，由于安装位置与信号采集区域的距离相对较远，不利于信号采集效率的提高，因此，在当今乃至未来的机械加工领域中，有线的传感器会逐渐被淘汰，而内嵌传感器到刀具或刀柄上是未来研究的重要方向。一旦成功研究并应用，将具有显著的应用价值，能够实现更理想的刀具状态监控效果 [9]。
3.2 应用机器视觉技术
随着时代的进步和科技的发展，制造业正逐渐向更智能、更柔性、更精密和更高速的方向发展和演变。机器视觉技术是推动制造业快速向智能化转变的重要技术和工具，通过对刀具几何参数的监测，对刀具磨损情况、程度以及应用状态的监测与反馈，能够更好地规避传统监测技术耗时长、误差大等问题。如果积极研究和利用机器视觉技术，可以通过非接触方式检测刀具的几何参数来提高系统的效率和精度，对于提升效果非常有利。
当前，加工工件的纹理会受到刀具磨损度、加工方式的直接影响，同时工件的切屑形态也会受到不同程度的影响。因此，在应用机器视觉技术来监测刀具状态方面，仍然需要重点研究和关注刀具磨损和破损的检测。这是推动数控铣削加工效果和水平双向提升的重要技术，值得进一步研究和实践 [10]。
4、结束语
综上所述，刀具的磨损程度、应用状态等都会对数控铣削加工的结果产生直接性影响，为了能够有效提升数控铣削加工效率与质量，重视刀具状态监控技术的应用非常必要且迫切。因此，做好刀具状态监控技术的研究与科学应用，科学、恰当地应用到数控铣削加工过程中，对于提升制造业的发展水平非常有利。
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