哈爾濱中天數(shù)控工具有限責(zé)任公司
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“首先，航空航天材料的加工非常困難，”Caron Engineering公司創(chuàng)始人和總裁Rob Caron表示。他講述了機(jī)加工在生產(chǎn)加工航空零件時(shí)會(huì)碰到的困難。對(duì)于引擎部件，其材料可能是硬質(zhì)且難于加工的合金：鈦、蒙乃爾合金、哈氏合金或鉻鎳鐵合金，當(dāng)然還有其他各種材料。
飛機(jī)標(biāo)準(zhǔn)非常嚴(yán)苛，許多航空航天的零件必須從在一個(gè)硬質(zhì)材料上進(jìn)行整體加工，保證材料最大程度的完整性同時(shí)幫助飛機(jī)升空。這意味著銑削車床可能需要上拱金屬負(fù)荷，降低至凈形并最后得到最終部件。
因?yàn)椴牧戏浅?jiān)硬，刀具的功能會(huì)隨著切削逐漸退化：“刀具的加工能力在切削過程慢慢會(huì)減弱?！盋aron先生稱，“因?yàn)椴牧锨谐偷毒吖δ艿娜趸瑥挠脩舻慕嵌燃m正進(jìn)給速率非常困難?！边@甚至還未考慮材料各部分之間的天然硬度差異。當(dāng)然，如果下一塊材料同前一塊材料之間存在屬性差異，那么這些進(jìn)給速率可能不會(huì)重復(fù)。
對(duì)于許多航空航天的機(jī)加工而言，解決方案就是讓步。對(duì)于進(jìn)給和速度，應(yīng)謹(jǐn)慎行事。操作人員將假設(shè)出最差的加工環(huán)境，并對(duì)工具進(jìn)行編程，降低穿過材料的速度。
原因非常簡單，Caron先生說：“太多的因素需要考慮，且材料成本非常高，因此刀具退化可能會(huì)導(dǎo)致昂貴的零件被浪費(fèi)，因?yàn)樗麄儠?huì)采用這種保守的方法避免這種情況?！边@時(shí)，Caron Engineering公司的自適應(yīng)控制技術(shù)就顯示出了自己的優(yōu)勢。
自適應(yīng)控制技術(shù)的工作原理
Caron Engineering公司的TMAC MP(刀具監(jiān)控和多工藝監(jiān)控自適應(yīng)控制系統(tǒng))的目的是精準(zhǔn)地解決上述難題。TMAC系統(tǒng)包括多個(gè)傳感器、一個(gè)通信中央處理器和一臺(tái)多范圍功率變送器，可以“學(xué)習(xí)”刀具的最優(yōu)功率負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給速率的自適應(yīng)控制。
Caron Engineering公司的TMAC MP首先是一套刀具監(jiān)控系統(tǒng)，包括安裝在機(jī)床上的多個(gè)傳感器以及一個(gè)顯示主軸和刀具數(shù)據(jù)的獨(dú)立處理器。但是，通過搭配一個(gè)功率變送器，使得TMAC能夠超馳刀具的進(jìn)給速率以及進(jìn)行自適應(yīng)控制優(yōu)化切削，這一功能特別適用于上拱難于加工的航空合金
前提非常簡單。如上所述，機(jī)加工在上拱堅(jiān)硬的航空航天合金材料時(shí)在速度和進(jìn)給方面往往會(huì)采用傳統(tǒng)方式。刀具慢速按照恒定進(jìn)給速率穿過金屬，隨著刀具穿過加工難度不同的材料部件部分，主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的功率負(fù)荷會(huì)升高和降低。除了缺乏效率之外，在某種意義，如果用戶不注意，這種功率抬升會(huì)造成刀具破裂問題。
為避免這種情況的出現(xiàn)，TMAC連接了數(shù)控系統(tǒng)對(duì)整個(gè)切削過程進(jìn)行進(jìn)給速率超馳。在機(jī)床使用新刀具切削零件時(shí)采用“學(xué)習(xí)模式”監(jiān)控主軸功率，該系統(tǒng)可以建立峰值和最優(yōu)功率負(fù)荷目標(biāo)，同時(shí)可以自動(dòng)調(diào)整進(jìn)給速率，保持負(fù)荷穩(wěn)定。
刀具在切削過程中隨材料條件的變化進(jìn)行加速或減速，圖中所示為刀具如何展現(xiàn)在TMAC MP系統(tǒng)屏幕上。圖1所示為示例切削的過程：白線為隨時(shí)間變化的實(shí)際切削功率負(fù)荷，以馬力為單位，基于左側(cè)Y軸進(jìn)行測量;紫線為實(shí)時(shí)進(jìn)給調(diào)整。在加工難度較低的切削部位功率負(fù)荷下降，進(jìn)給速率提高。刀具進(jìn)入較硬的切削部位時(shí)，功率負(fù)荷上升，進(jìn)給速率下降。
機(jī)床學(xué)習(xí)流程讓TMAC系統(tǒng)可以為功率負(fù)荷預(yù)先設(shè)定目標(biāo)上限(綠色直線所示)，同時(shí)為進(jìn)給速率設(shè)定下限(橙色線)，低于該值時(shí)系統(tǒng)會(huì)知道刀具磨損必須更換，因?yàn)殡S著刀具功能的減弱切削需要增加功率。
該TMAC MP用戶界面圖片展示了一種帶有自適應(yīng)控制功能的典型銑削切削。白線為隨著時(shí)間推移切削的實(shí)際功率負(fù)荷，采用馬力為單位。功率負(fù)荷的上升或下降取決于切削條件。紫線為進(jìn)給速率，TMAC可以進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整，維持恒定的功率負(fù)荷同時(shí)最大化切削時(shí)間。在這種模式下，彩色直線為（從上到下）最高功率上限（紅色），達(dá)到該上限時(shí)系統(tǒng)將立即停止主軸并收回刀具；學(xué)習(xí)最優(yōu)功率（綠色）；最低進(jìn)給速率，顯示刀具磨損（黃色）情況，低于該值時(shí)TMAC將結(jié)束切削然后發(fā)出刀具更換信號(hào)；以及進(jìn)給速率最低限值（橙色）。用戶可以放大或縮小上述比例尺進(jìn)行功率分析，功率可以采用馬力或千瓦為單位進(jìn)行測量
此外，因?yàn)樵撓到y(tǒng)接入了數(shù)控系統(tǒng)，可以將進(jìn)給速率降至零并且發(fā)出信號(hào)自動(dòng)換刀。這基本上可以避免出現(xiàn)刀具破裂情況。同通常情況下刀具持續(xù)進(jìn)給直至無法繼續(xù)切削不同，隨著刀具鈍化需要更高功率，自適應(yīng)控制的監(jiān)控功能會(huì)逐漸降低進(jìn)給速率，并且通常將至少完成切削。
Caron Engineering公司認(rèn)為，自適應(yīng)控制的整體好處是能夠更積極更高效地切削硬質(zhì)航空航天金屬材料，減少氣割并節(jié)約時(shí)間。根據(jù)公司的說法，循環(huán)時(shí)間節(jié)約可以達(dá)到20%——60%。據(jù)稱，自適應(yīng)控制特別適用于飛機(jī)引擎部件的生產(chǎn)，如上拱葉盤、加工整體轉(zhuǎn)子，這時(shí)焊縫周圍的金屬可能非常堅(jiān)硬。
算法提供的時(shí)間節(jié)約
對(duì)于所有這些優(yōu)勢，Caron發(fā)現(xiàn)在特定情況下會(huì)出現(xiàn)一種復(fù)雜的問題，即上拱工藝，在這種工藝中，硬質(zhì)航空航天材料需使用大直徑刀具進(jìn)行低速切削(低于1000 rpm)?！叭绻庸やX合金材料，那么可以采用10 000 rpm的轉(zhuǎn)速，這沒有問題，用戶可以加工想要的任何數(shù)量。”Caron先生稱，“但是如果加工鈦金屬，材料特性不允許刀具采用這么高的切削速度?！?/p>
在這種情況下，TMAC系統(tǒng)的靈敏性就會(huì)成為問題，因?yàn)樵谶@么低的切削速度下(有時(shí)候會(huì)低至200或300 rpm)，因?yàn)榈洱X切入材料時(shí)的阻力，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)功率提高。這會(huì)導(dǎo)致線條呈現(xiàn)出奇怪的鋸齒形狀，許多功率振蕩會(huì)呈現(xiàn)出齒狀形狀。圖3所示為使用一種五齒套式銑刀進(jìn)行的這種切削的示例，切削時(shí)間約為56 s。如果采用傳統(tǒng)的自適應(yīng)控制方式，TMAC系統(tǒng)的進(jìn)給速率調(diào)整將結(jié)束每次微幅功率抬升的反應(yīng)，這會(huì)影響效率。
這種低轉(zhuǎn)速切削方式是一種典型的難于加工的材料的上拱應(yīng)用形式，比如鈦或鉻鎳鐵合金。每個(gè)小“鋸齒”形狀反映了切削過程中套式銑刀5個(gè)出屑槽的切入材料導(dǎo)致的功率抬升。TMAC的“固定限值”模式，即主軸功率保持處于或低于綠線所反映的最優(yōu)學(xué)習(xí)水平。如圖中右側(cè)底部所示，總切削時(shí)間約56 s
TMAC系統(tǒng)的最新創(chuàng)新Caron先生將其稱之為“鋸齒算法”，這是一種先進(jìn)的自適應(yīng)控制方式，通過學(xué)習(xí)各刀具的“刀齒通過頻率”解決這一問題。通過計(jì)算各刀齒通過材料時(shí)的準(zhǔn)確功率振蕩以及針對(duì)特定旋轉(zhuǎn)平均分配所有出屑槽的功率，自適應(yīng)控制可以對(duì)整個(gè)刀具而非單個(gè)刀齒的切削動(dòng)作做出反應(yīng)。
物聯(lián)網(wǎng)成為先機(jī)
TMAC MP系統(tǒng)首先是一個(gè)機(jī)床監(jiān)控器，該系統(tǒng)擁有獨(dú)立的處理器并且采用Caron公司的自有傳感器套件，這讓該系統(tǒng)可以用于傳統(tǒng)機(jī)床;但是在自適應(yīng)控制功能方面存在局限性，因?yàn)樵撓到y(tǒng)需要一套數(shù)控系統(tǒng)使TMAC對(duì)進(jìn)給速率進(jìn)行超馳。盡管如此，該系統(tǒng)可以測定主軸電機(jī)高功率(自適應(yīng)控制使用的主要指標(biāo))、振動(dòng)、應(yīng)變、冷卻劑壓力、冷卻劑流量和主軸速度，借此監(jiān)控刀具壽命、工件消耗、軸承健康度和實(shí)際切削時(shí)間。
雖然該產(chǎn)品已經(jīng)推向市場超過30年，但該公司似乎發(fā)現(xiàn)自己在某些時(shí)候在串聯(lián)生產(chǎn)區(qū)和收集數(shù)據(jù)方面仍然具有競爭力。實(shí)際上，Caron的傳感器可以收集大量數(shù)據(jù)用于工藝診斷、系統(tǒng)整合和高級(jí)分析。同Caron公司的其他監(jiān)控產(chǎn)品一樣，TMAC系統(tǒng)同樣符合MTConnect標(biāo)準(zhǔn)。
“我們在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)這個(gè)詞流行之前基本上就已經(jīng)是一家工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品生產(chǎn)廠商了，因?yàn)槲覀儾杉瘮?shù)據(jù)并提供給所有人?！盋aron稱。
TMAC可以利用所有傳感器對(duì)正常作業(yè)的機(jī)床中的異常做出反應(yīng)，這些傳感器可以向用戶發(fā)出消息并進(jìn)行警告。這種功能提供的最大機(jī)遇是無人作業(yè)，因?yàn)橥ㄟ^TMAC系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)控功率、實(shí)時(shí)調(diào)整以及通知用戶換刀(或訂購自動(dòng)刀具進(jìn)行更換)，機(jī)床附近將不需要安排人員。
“曾經(jīng)有一位用戶遇到過從每臺(tái)機(jī)床需要一位操作人員變?yōu)橐晃徊僮魅藛T負(fù)責(zé)7臺(tái)機(jī)床的裝料的情況?！盋aron先生表示。很明顯，為配備了TMAC系統(tǒng)和自適應(yīng)控制的生產(chǎn)單元加裝裝卸機(jī)器讓機(jī)床可以在完全無人監(jiān)督的情況下加工難以加工的工件。
來源：國際金屬加工網(wǎng)
