刀具管理系統(tǒng)技術(shù)概要.docx

刀具管理系統(tǒng)重要技術(shù)概要 先進(jìn)制造技術(shù)給我印象最深的就是系統(tǒng)性，要把握先進(jìn)制造技術(shù)，就要有全面、系統(tǒng)的視角，不能“只見樹木不見森林”；其次就是層次性，例如，刀具管理雖然只是制造系統(tǒng)中的一個(gè)部分，卻也包含著硬件技術(shù)（刀具參數(shù)、磨損檢測(cè)等）和軟體知識(shí)（刀具調(diào)度、自動(dòng)配刀等）。本文圍繞刀具管理系統(tǒng)，按照系統(tǒng)性的原則，將相關(guān)重要技術(shù)、概念、趨勢(shì)有層次整理、匯總起來，主要內(nèi)容如下：1. 刀具管理系統(tǒng)的功能；2. 刀具編碼技術(shù)；3. 刀具識(shí)別技術(shù)；4. 模塊級(jí)刀具配置；5. 刀具耐用度預(yù)測(cè)；6. 刀具在線監(jiān)控技術(shù)；7. 刀具管理新類型外包模式；1. 刀具管理系統(tǒng)的功能近年來，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到刀具管理水平的高低直接關(guān)系到企業(yè)的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本，刀具管理需要既能保證生產(chǎn)線及時(shí)得到符合要求的所需刀具，又能使庫存刀具數(shù)量保持在最低的必要水平上；使得流動(dòng)資金的占用及其引起的財(cái)務(wù)費(fèi)用降到最低；并能在發(fā)生刀具非正常消耗時(shí)做出及時(shí)和快速的反應(yīng)，確保生產(chǎn)正常進(jìn)行，因此需要在各個(gè)車間都配刀具管理系統(tǒng)。所以刀具管理得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，國(guó)外已經(jīng)出現(xiàn)了不少優(yōu)秀的刀具管理商用軟件，比如以下四種：（1） 英國(guó)CTMS公司的計(jì)算機(jī)用刀具管理系統(tǒng)（CYMS）它由一系列的軟件模塊組成，可配置16個(gè)終端，分別設(shè)置在刀具房、刀具預(yù)調(diào)間、計(jì)算機(jī)室和供應(yīng)科室等處，各終端直接與中心數(shù)據(jù)庫聯(lián)網(wǎng)，整個(gè)系統(tǒng)的作用可以概括為：改善刀具的發(fā)放時(shí)間以及控制發(fā)放在外刀具的數(shù)量；不斷更新刀具庫的庫存信息，直接用刀具預(yù)調(diào)數(shù)據(jù)以調(diào)定刀具；提供刀具購(gòu)置信息；提供刀具用途分析報(bào)告。（2） 美國(guó)CincinnatiMilacron公司的刀具管理系統(tǒng)軟件包括以下五個(gè)方面的職能：為刀具庫準(zhǔn)備刀具；給各機(jī)床分派刀具；刀具的調(diào)度與搬運(yùn)（軌道）；刀具檢測(cè)；刀具的信息處理。（3） 德國(guó)的Delkel開發(fā)的Tool Manager計(jì)算機(jī)輔助刀具管理系統(tǒng)適合于加工單元、柔性制造系統(tǒng)甚至整個(gè)部門的刀具監(jiān)視、規(guī)劃和跟蹤管理。其軟件功能包括：刀具的儲(chǔ)備；刀架配備的優(yōu)化；刀具裝配安排；各零件對(duì)刀具的需求；刀具壽命規(guī)劃。（4） 瑞典的Sandvik公司的成套商用刀具管理軟件Coratas可使刀具管理實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。該系統(tǒng)能監(jiān)控刀具從有效地點(diǎn)進(jìn)入刀具庫，直至機(jī)加工車間機(jī)床上的全部運(yùn)行過程。它能保證在開始一批新工件的加工時(shí)，預(yù)先對(duì)刀具作合理的準(zhǔn)備，并對(duì)刀具的狀態(tài)和工況進(jìn)行檢測(cè)。此系統(tǒng)能發(fā)現(xiàn)刀具的臨界狀態(tài)和確定刀具庫存量的合理性，大大提高了生產(chǎn)的柔性和可靠性以及設(shè)備的利用率。該系統(tǒng)可在各加工階段優(yōu)化與刀具管理組織有關(guān)的各種因素，進(jìn)而縮短準(zhǔn)備、結(jié)束時(shí)間。減少車間刀具存放量，提高刀具的使用壽命。綜上，其刀具管理常用功能包括：刀具庫存管理；刀具的優(yōu)化調(diào)度；刀具的動(dòng)態(tài)調(diào)度；刀具的壽命管理；刀具的數(shù)據(jù)管理；刀具識(shí)別；刀具自動(dòng)調(diào)定；刀具的自動(dòng)軌道運(yùn)輸；刀具的監(jiān)控檢測(cè)，與外圍設(shè)備的通信。2. 刀具編碼技術(shù)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)量急劇膨脹，過往的手工記錄已經(jīng)不復(fù)存在，計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)入企業(yè)管理領(lǐng)域已成為必然趨勢(shì)，為了更好的管理數(shù)控車間內(nèi)數(shù)量龐大的刀具，就必須要應(yīng)用編碼技術(shù)，這就需要設(shè)計(jì)一套編碼系統(tǒng)來定義每把刀具，使刀具資料一目了然，且不容易漏記。因此，在刀具管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，首先要求建立一個(gè)典型刀具庫，用于存儲(chǔ)典型刀具信息；其次，為了便于用戶管理和系統(tǒng)存儲(chǔ)刀具信息的需要，還應(yīng)該提供一個(gè)刀具分類編碼標(biāo)準(zhǔn)，為唯一識(shí)別系統(tǒng)的刀具提供依據(jù)。2-1刀具編碼系統(tǒng)的意義編碼設(shè)計(jì)是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)的前提條件，是系統(tǒng)不可缺少的重要內(nèi)容。編碼是指與原來對(duì)應(yīng)名稱對(duì)應(yīng)的編號(hào)、符號(hào)或記號(hào)。它是進(jìn)行信息交換、處理、傳輸和實(shí)現(xiàn)信息資源共享的關(guān)鍵。編碼也用于指定數(shù)據(jù)的處理方法、區(qū)別數(shù)據(jù)類型并指定計(jì)算機(jī)處理的內(nèi)容等，主要作用如下：(1) 有利于提供正確的刀具資料由于刀具要經(jīng)過請(qǐng)購(gòu)、訂購(gòu)、驗(yàn)收、入庫、領(lǐng)發(fā)、退庫、記錄等多個(gè)環(huán)節(jié)，再加之種類、數(shù)量繁多，容易造成名稱錯(cuò)亂的現(xiàn)象，造成采購(gòu)、驗(yàn)收、領(lǐng)發(fā)和記錄不便。對(duì)刀具統(tǒng)一編碼后，每一把刀具對(duì)應(yīng)一種編碼，同時(shí)也能克服由于手工作業(yè)而造成的刀具漏記現(xiàn)象。(2) 有利于計(jì)算機(jī)管理有了良好的刀具編碼，再配合計(jì)算機(jī)的使用，對(duì)刀具進(jìn)行記錄、統(tǒng)計(jì)、核算等操作能大大提高工作效率，這樣才能有更多時(shí)間讓刀具管理人員在刀具數(shù)量和現(xiàn)場(chǎng)整理方面下功夫，使刀具數(shù)量更加準(zhǔn)確。(3) 有利于防止刀具舞弊事件的發(fā)生刀具統(tǒng)一編碼，并采用計(jì)算機(jī)管理后，對(duì)刀具管理流程，就必須做出嚴(yán)格的控制，即規(guī)定原始單據(jù)的填制、審核、計(jì)算機(jī)資料的記錄、審核和修改，應(yīng)分別由不同人員按規(guī)定的程序進(jìn)行管理。這樣經(jīng)過嚴(yán)格的程序控制后，可以減少舞弊事件的發(fā)生。2-2刀具編碼系統(tǒng)的方法柔性分類編碼柔性分類編碼是相對(duì)于傳統(tǒng)的剛性分類編碼概念提出來的，它是指分類編碼系統(tǒng)橫向碼長(zhǎng)度可以根據(jù)描述對(duì)象的復(fù)雜程度變化，即沒有固定的碼位設(shè)置和碼位含義，柔性編碼系統(tǒng)既要克服剛性編碼系統(tǒng)描述的多義性，以及不能完整、詳盡地描述零件特征的特點(diǎn)，又要繼承剛性編碼簡(jiǎn)單明了、便于記憶、檢索和識(shí)別方便的優(yōu)點(diǎn)。所以，刀具的柔性編碼結(jié)構(gòu)模型由固定碼+柔性碼構(gòu)成。固定碼用于描述零件的綜合信息，如類別、總體尺寸、材料等，與傳統(tǒng)編碼系統(tǒng)相似；柔性碼主要用于描述零件各個(gè)部分詳細(xì)信息，如零件的尺寸精度、公差等。2-3柔性編碼系統(tǒng)的原則刀具分類的主要原則是科學(xué)性、系統(tǒng)性、可擴(kuò)展性和兼容性。科學(xué)性即穩(wěn)定性，要選準(zhǔn)刀具最穩(wěn)定、本質(zhì)的信息作為分類的基礎(chǔ)和依據(jù)，例如刀具的類別、材料、精度等本質(zhì)屬性是刀具永久性的特征。系統(tǒng)性即進(jìn)行合理的排序，形成一個(gè)比較合理的分類體系?？蓴U(kuò)展性即留有足夠的空位，滿足事物和概念變化的需要，安置新出現(xiàn)的信息，兼容性表示的是相關(guān)信息分類體系之間的協(xié)調(diào)性。由此可以得知柔性編碼系統(tǒng)的原則亦是如此，其具體步驟是：第一步：將刀具嚴(yán)格分類；第二步：根據(jù)類別對(duì)每一大類再細(xì)分，直至只有刀具的具體規(guī)格參數(shù)不同為止；第三步：由刀具自身的具體特性產(chǎn)生校驗(yàn)碼。關(guān)于刀具的分類編碼，國(guó)際上還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各國(guó)的不同廠家均采用自行設(shè)計(jì)的代碼系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)至今也沒有建立統(tǒng)一的刀具分類編碼規(guī)則，但是，在進(jìn)行刀具分類編碼時(shí)，有些刀具編碼的通用性規(guī)則還需要考慮和遵守：(1) 唯一性：即用意單純，每種規(guī)格的刀具或輔具對(duì)應(yīng)唯一的一個(gè)代碼；(2) 系統(tǒng)性：盡量使代碼結(jié)構(gòu)中的每一位都具有實(shí)際意義，即盡量適應(yīng)組織的全部功能需要，并且從信息系統(tǒng)的全局結(jié)構(gòu)考慮，便于分類識(shí)別和形成一個(gè)系統(tǒng)化的代碼體系；(3) 可擴(kuò)展性：要考慮將來可能擴(kuò)展的需要；(4) 通用性：簡(jiǎn)介明了，適用面廣，通用性強(qiáng)，便于記憶和校驗(yàn)，位數(shù)較少，并且盡可能的照顧用戶的使用習(xí)慣；(5) 高效率：適合計(jì)算機(jī)處理，檢索查詢效率高；(6) 代碼要等長(zhǎng)：即對(duì)不同種類和規(guī)格的刀具應(yīng)保持代碼長(zhǎng)度不變。2-4信息編碼的檢錯(cuò)方法編碼作為信息系統(tǒng)的處理對(duì)象，其正確性具有決定性的影響。為防止在輸入、轉(zhuǎn)換等過程中發(fā)生錯(cuò)誤，系統(tǒng)采用以下措施：固定碼逐字比較，柔性碼部分設(shè)置校驗(yàn)碼。校驗(yàn)碼是在編碼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過事先規(guī)定好的數(shù)學(xué)方法計(jì)算出來的。校驗(yàn)碼為一位，附在原編碼的后面，與原編碼一起構(gòu)成編碼對(duì)象的編碼。使用時(shí)，校驗(yàn)碼與原編碼一起輸入系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)用同樣的數(shù)學(xué)方法，按輸入的代碼計(jì)算出校驗(yàn)碼，并將它與輸入校驗(yàn)碼進(jìn)行比較，以檢查輸入是否有錯(cuò)。利用校驗(yàn)碼可以檢查出代碼的各種錯(cuò)誤，如易位錯(cuò)誤、抄寫錯(cuò)誤和隨即錯(cuò)誤。系統(tǒng)的校驗(yàn)碼產(chǎn)生方法的計(jì)算步驟如下：(1) 加權(quán)求和，如果編碼為C1 ，C2，Cn，加權(quán)因子為P1 ，P2，Pn，則S=i=1nCi Pi，加權(quán)因子可選為算術(shù)級(jí)數(shù)1，2，。(2) 以模除和得余數(shù)，即R =S mod M，其中R為余數(shù)，M為模，在這里取為10。(3) 將余數(shù)作為校驗(yàn)碼，附在原編碼之后，形成最終的代碼。例如：原編碼為DXCRS501635200102，權(quán)為1，2，12；模為10，加權(quán)和為S=i=1nCi Pi=125，則校驗(yàn)碼R=S mod M=5,所以帶校驗(yàn)碼的編碼為DXCRS5016352001025。用校驗(yàn)碼校驗(yàn)碼檢錯(cuò)的過程：如果編碼為C1 ，C2，Cn，Cn+1其中Cn+1為校驗(yàn)碼，輸入時(shí)對(duì)編碼每一位乘以它原來的權(quán)值，其中校驗(yàn)碼的權(quán)值為1，用所得的和除以模得余數(shù)T，即T=（i=1nCi Pi+Cn+1）mod M，如果T=0，則編碼正確；否則，表示編碼出錯(cuò)。3. 刀具識(shí)別技術(shù)為了實(shí)現(xiàn)刀具的信息化管理，除了能正確科學(xué)地將刀具進(jìn)行編碼，還要能使計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)能夠識(shí)別刀具，“讀懂”刀具信息。下面介紹3種常用的刀具識(shí)別的方法:1. 刀具編碼環(huán)識(shí)別刀具編碼是刀具識(shí)別的前提，不同刀具管理系統(tǒng)采用的編碼方法和目標(biāo)也許并不相同，但是，讓一個(gè)刀具碼唯一地對(duì)應(yīng)著一把刀具則是它們都應(yīng)達(dá)到的相同目標(biāo)。早期，刀具識(shí)別系統(tǒng)編碼環(huán)具體代替刀具碼。編碼環(huán)安裝在刀柄尾部的拉釘上，編碼環(huán)的凸圓環(huán)面和凹圓環(huán)面分別表示，“1”和“0”，它們組合起來就是一個(gè)二進(jìn)制的刀具碼。讀碼器的觸頭能與凸圓環(huán)面接觸，而不能與凹圓環(huán)面接觸，所以能把凸凹幾何狀態(tài)轉(zhuǎn)變成電路通斷狀態(tài)，即“讀”出二進(jìn)制的刀具碼。由于編碼環(huán)刀具識(shí)別系統(tǒng)可靠性差，使用壽命短(接觸式，磨損大)，目前基本上不使用這種方式，因而被條形碼刀具識(shí)別系統(tǒng)所取代。2. 條形碼刀具識(shí)別系統(tǒng)條形編碼系統(tǒng)是目前應(yīng)用最多的識(shí)別系統(tǒng)。每個(gè)組裝好并經(jīng)過預(yù)調(diào)的新刀具都按照編碼系統(tǒng)的要求進(jìn)行編碼，條形碼打印機(jī)對(duì)給定的編碼打印條形碼標(biāo)簽，然后將條形碼粘在刀柄上，以便在系統(tǒng)外標(biāo)識(shí)刀具。新刀具出入庫和進(jìn)入制造單元前，通過條形碼閱讀機(jī)將條形碼轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能識(shí)別的刀具編碼，這樣計(jì)算機(jī)便可以通過追蹤刀具編碼來跟蹤每把刀具的實(shí)際情況。條形碼刀具識(shí)別系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是使用壽命長(zhǎng)、成本低、操作簡(jiǎn)單;但由于條形碼標(biāo)簽防油污性能差，國(guó)外己開始使用磁芯碼和芯片代替條形碼。3. 刀具管理系統(tǒng)中的RFID技術(shù)RFID(Radio Frequency Identification，即射頻識(shí)別技術(shù))，俗稱電子標(biāo)簽，是20世紀(jì)90代開始興起并逐漸走向成熟的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，利用射頻信號(hào)通過空間耦合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的的技術(shù)。目前RFID技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化、物體跟蹤、交通運(yùn)輸控制管理、防偽和軍事用途方面已經(jīng)有著廣泛的應(yīng)用。RFID技術(shù)在刀具管理系統(tǒng)應(yīng)用中主要有點(diǎn)是耐污染、可讀取距離達(dá)、可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體、可擦寫信息、儲(chǔ)存數(shù)據(jù)容量大、可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽等;其缺點(diǎn)是價(jià)格較高，當(dāng)前單個(gè)RFID標(biāo)簽最低成本達(dá)7美分，遠(yuǎn)高于條碼的成本最低3分。4. 標(biāo)識(shí)塊識(shí)別系統(tǒng)“標(biāo)識(shí)塊識(shí)別系統(tǒng)”即國(guó)外產(chǎn)品樣本上的“ID系統(tǒng)”，與條形碼比較，該系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是:抗環(huán)境污染能力強(qiáng)，存載的信息量大并可多次重寫存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。4-1標(biāo)識(shí)塊識(shí)別原理標(biāo)識(shí)塊識(shí)別系統(tǒng)由標(biāo)識(shí)塊、讀寫器、識(shí)別控制單元三個(gè)基本部件組成，如圖所示：l 標(biāo)識(shí)塊: 是信息的載體，它與被監(jiān)視的刀具連接，塊內(nèi)存儲(chǔ)著該刀具的數(shù)據(jù)，借助標(biāo)識(shí)塊能使信息與刀具同步流動(dòng)；l 讀寫器: 是標(biāo)識(shí)塊和識(shí)別控制單元之間的信息橋梁，它能讀出標(biāo)識(shí)塊內(nèi)的數(shù)據(jù)，或者把數(shù)據(jù)寫入塊內(nèi)；l 識(shí)別控制單元: 是標(biāo)識(shí)塊識(shí)別系統(tǒng)與可編程控制器(PLC)或上位計(jì)算機(jī)的接口；從圖可以看出，標(biāo)識(shí)塊與讀寫器之間是以電磁感應(yīng)方式傳遞數(shù)據(jù)的。給標(biāo)識(shí)塊寫入的數(shù)據(jù)是從識(shí)別控制單元輸送給讀寫器的0、1信號(hào)，寫數(shù)據(jù)就是將0、1信號(hào)編碼，經(jīng)LC振蕩器調(diào)制后傳送給標(biāo)識(shí)塊存儲(chǔ)起來。讀數(shù)據(jù)的過程則相反:依據(jù)內(nèi)存信息，控制電路驅(qū)動(dòng)線圈動(dòng)作，把標(biāo)識(shí)塊存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)傳送給讀寫器。4-2標(biāo)識(shí)塊刀具識(shí)別系統(tǒng)標(biāo)識(shí)塊刀具識(shí)別系統(tǒng)的元器件較小。所示標(biāo)識(shí)塊為短圓柱體，它嵌在刀柄側(cè)面(也可以嵌在拉釘?shù)奈膊?。存儲(chǔ)在標(biāo)識(shí)塊內(nèi)的信息由用戶設(shè)置。系統(tǒng)中常見刀具信息分為4類:管理信息，其中包括刀具編碼、刀具名稱、刀具類型、刀具材料、刀具用途、簡(jiǎn)圖編號(hào)、入庫時(shí)間等;動(dòng)態(tài)信息包括刀具狀態(tài)、刀具位置、位置編號(hào)、耐用度、壽命、補(bǔ)償長(zhǎng)度、補(bǔ)償半徑等;加工信息:加工精度、刀具用途、加工精度及范圍、加工表面粗糙度、適用機(jī)床類型式等;幾何參數(shù):刀具長(zhǎng)度、前角、后角、主偏角、刃傾角等。標(biāo)識(shí)塊的數(shù)據(jù)可以重寫1萬次，數(shù)據(jù)可以保存10年。4. 模塊級(jí)刀具配置配置的對(duì)象不再是完整的刀具，而是經(jīng)過模塊化處理的刀具組成零件，從而提高刀具管理的優(yōu)化空間，更好地管理刀具，涉及一些重要概念，具體如下:定義1：虛擬刀具能滿足零件加工特性和加工要求的抽象刀具為虛擬刀具。該刀具在刀具庫中可能并不存在，只是按照刀具庫中刀具詳細(xì)參數(shù)的表示方法進(jìn)行表示的一種刀具，是加工該零件所需的理想刀具。對(duì)虛擬刀具進(jìn)行詳細(xì)描述的參數(shù)稱之為約束參數(shù)，滿足該虛擬刀具約束參數(shù)的刀具庫中刀具可能有很多，也可能沒有，這取決于參數(shù)值的設(shè)定和刀具的匹配準(zhǔn)則。定義2：物理刀具(成熟刀具)稱可直接裝配到機(jī)床上進(jìn)行加工的整體式刀具或已由零部件裝配好的一把模塊式刀具為物理刀具(或成熟刀具)。該刀具是機(jī)床加工零件時(shí)所需的刀具，可能是整體式的，也可能是模塊式的。定義3：邏輯刀具由刀柄、接桿、刀頭及配件組成的刀具零部件集合為邏輯刀具。這些零部件可能能夠裝配成為一把物理刀具，也可能因?yàn)榻涌诓煌荒苎b配成一把物理刀具，甚至該邏輯刀具可能只有一種零部件。幾種刀具之間的關(guān)系虛擬刀具定義了加工點(diǎn)對(duì)刀具的要求，滿足這個(gè)要求或滿足虛擬刀具約束參數(shù)要求的邏輯刀具可能很多，即由一把虛擬刀具可以得到多把邏輯刀具;反之，由于邏輯刀具是對(duì)虛擬刀具參數(shù)的滿足，同樣的邏輯刀具可能滿足多個(gè)虛擬刀具的要求，即一把邏輯刀具可以對(duì)應(yīng)多把虛擬刀具。虛擬刀具與邏輯刀具是多對(duì)多的關(guān)系。同樣，一把邏輯刀具如果拼裝成物理刀具后，由于一些零部件的可調(diào)性，該邏輯刀具可以形成若干把物理刀具。例如一把邏輯刀具包含了刀柄和可調(diào)鏜刀頭，由于鏜刀頭的可調(diào)性，當(dāng)裝配成物理刀具后，調(diào)節(jié)刀頭滑塊，即可形成不同的物理刀具。對(duì)于模塊式刀具，同樣的零部件由于裝配尺寸的不同也可形成多種物理刀具。但是一把物理刀具只對(duì)應(yīng)著一把虛擬刀具。邏輯刀具和物理刀具是一對(duì)多的關(guān)系。傳統(tǒng)的刀具管理系統(tǒng)本質(zhì)上是一個(gè)刀具的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，其中中央刀具庫中每種規(guī)格的物理刀具在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)是不會(huì)變的，其調(diào)整通常由信息管理系統(tǒng)或全廠刀具管理系統(tǒng)根據(jù)中長(zhǎng)期生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行，成熟刀具的選擇只在已有的刀具庫中進(jìn)行。作業(yè)計(jì)劃與調(diào)度以各刀具規(guī)格具有的物理刀具數(shù)為約束之一，做出分批、調(diào)度、刀具裝載及加工路徑等方面的決策。這樣，物理刀具數(shù)限制了計(jì)劃調(diào)度的優(yōu)化空間。隨著刀具技術(shù)的發(fā)展，模塊式刀具已成為企業(yè)所使用刀具的主流。該刀具是由各個(gè)功能零部件組成的，各個(gè)零部件之間的裝配采用標(biāo)準(zhǔn)的接口，如圖所示：刀具級(jí)刀具配置沒有考慮刀具的組裝特性，可能引發(fā)一些問題的出現(xiàn):如果兩把不同規(guī)格的刀具T1和T2都含有同樣的刀具零部件M1，且T1和T2在不同的時(shí)間段上使用，必然引起M1零部件的重疊。當(dāng)M1是比較昂貴的刀具零部件(如刀柄)時(shí)，這種方法的效果很值得懷疑。而且，在大量實(shí)際應(yīng)用中，人們更愿意用閑置的刀具零部件裝配急需的刀具。企業(yè)刀具庫中常備刀具零部件，而非裝配好的成熟刀具，能夠形成比刀具級(jí)刀具配置更大的刀具集。這種以刀具零部件作為常備刀具進(jìn)行刀具配置的方法為模塊級(jí)刀具配置，明模塊級(jí)刀具配置的優(yōu)化空間大于刀具級(jí)刀具配置。5. 刀具耐用度預(yù)測(cè)當(dāng)一把新刃磨好的刀具投入切削時(shí)，隨著切削動(dòng)作的持續(xù)進(jìn)行，刀具便逐漸磨損。經(jīng)過一段時(shí)間，磨損便越來越加劇，切削能力顯著下降，以致不再符合切削的要求。這一現(xiàn)象稱之扣鈍化。刀具耐用度是指刀具從新刃磨好至鈍化前的一段實(shí)際切削時(shí)間一即兩次刃磨間的切削時(shí)間，也稱為刀具壽命。刀具耐用度是確定換刀時(shí)間的重要依據(jù)、，同時(shí)也是衡量工件材料的加工性和刀具材料的切削性，以及刀具幾何參數(shù)和切削用量選擇是否合理的重要指標(biāo)。在正常情況下，如刀具磨損的限度相同，刀具的耐用度越高，表示刀具的磨損越慢，其生產(chǎn)效率也相應(yīng)提高。目前對(duì)刀具磨損壽命管理主要采用以下三種方式：第一種是采用簡(jiǎn)單的切削時(shí)間累加的方法進(jìn)行刀具磨損壽命管理，此種方法簡(jiǎn)單，方便。但是，根據(jù)理論切削學(xué)，刀具的實(shí)際磨損與具體的加工狀態(tài)如切削用量、刀具的材料、工件材料、切削部分的形狀和刀具材料與加工材料的物理、化學(xué)及機(jī)械性能的綜合等有關(guān)。因此，采用簡(jiǎn)單的切削時(shí)間累加不足以全面衡量刀具的磨損，勢(shì)必造成刀具的保守使用，增加刀具的成本，影響產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。第二種方法是還采用在線監(jiān)測(cè)的辦法來掌握刀具磨損與破損狀況。此種方法實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確，發(fā)展比較完善，但是，不能預(yù)測(cè)刀具的破損時(shí)間，容易造成工件和機(jī)床損壞，也會(huì)出現(xiàn)停機(jī)等待工件現(xiàn)象。第三種方法是采用經(jīng)驗(yàn)公式。經(jīng)驗(yàn)公式是目前應(yīng)用比較廣泛的一種刀具壽命預(yù)測(cè)的方法。它是在一定條件下根據(jù)一系列試驗(yàn)得到的固定不變的一系列公式。因此當(dāng)加工條件改變時(shí)公式的可靠性、科學(xué)性就無法保證。針對(duì)這些情況，本章提出了基于支持向量機(jī)的刀具耐用度的智能預(yù)測(cè)。6. 刀具在線監(jiān)控技術(shù)6-1 綜述在數(shù)控機(jī)床的工況監(jiān)測(cè)中，一個(gè)極為關(guān)鍵的技術(shù)就是刀具切削狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Tool Condition Monitoring System，簡(jiǎn)稱為TCMS)，它是降低制造成本、減少制造環(huán)境危害、保證制造系統(tǒng)正常高效運(yùn)行和產(chǎn)品質(zhì)量的主要手段之一。這是因?yàn)殡S著機(jī)械加工過程中自動(dòng)化程度的不斷提高，數(shù)控機(jī)床、加工中心、柔性生產(chǎn)線的應(yīng)用日益普及，制造過程無人參與，尤其是硬質(zhì)合金、陶瓷、人造金剛石等脆性材料刀具大量使用，金屬切削刀具由于磨損、破損而喪失工作能力的可能性越來越大。在自動(dòng)化制造過程中，需要系統(tǒng)能夠自動(dòng)判斷刀具的磨損程度并及時(shí)換刀，以避免由于刀具磨損量過大造成的加工質(zhì)量下降或其他損失。由于刀具的磨損、破損影響整個(gè)加工制造過程，所以通過對(duì)刀具切削狀態(tài)變化的監(jiān)測(cè)可了解加工制造過程中其他因素的變化，如加工質(zhì)量(工件表面粗糙度、形狀位置精度等)、機(jī)床狀態(tài)(如機(jī)床的振動(dòng))等。傳統(tǒng)的刀具壽命管理雖然可以一定程度上減輕刀具磨損或破損而造成的損失，但因?yàn)榈毒邏勖碾S機(jī)性，其壽命極限估計(jì)往往過于保守，以致大部分刀具未能充分利用。研究表明，采用實(shí)時(shí)刀具監(jiān)控技術(shù)后能夠?qū)⒂捎谌撕图夹g(shù)因素引起的故障停機(jī)時(shí)間減少75%，將有效加工時(shí)間由無監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)的10%提高到65%，將機(jī)床利用率提高到50%以上。早期的金屬切削加工過程是由操作人員憑借其熟練的技術(shù)，一人看管一臺(tái)機(jī)床，刀具的磨損、破損問題并不突出。隨著大批量生產(chǎn)的要求，自動(dòng)化程度不斷提高，帶來了許多工業(yè)問題，其中刀具磨損、破損等異常狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)亟待解決。切削刀具切削狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)也是實(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)現(xiàn)代化、自動(dòng)化、柔性化的基礎(chǔ)。金屬切削加工是最重要的機(jī)械制造方法。在這些加工過程中，不能通過基本切削參數(shù)(刀具幾何參數(shù)、切削用量等)很精確預(yù)測(cè)切削加工的狀態(tài)(切削形式、刀具耐用度、刀具壽命等)。刀具壽命和狀態(tài)對(duì)加工的經(jīng)濟(jì)性和工具質(zhì)量有很大的影響。在金屬切削加工的過程中，刀具的磨損、破損如未能及時(shí)的發(fā)現(xiàn)，會(huì)導(dǎo)致切削過程的中斷，引起工件的報(bào)廢、機(jī)床損壞、造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。雖然刀具壽命管理可以防止刀具的磨損和破損，但因?yàn)榈毒邏勖碾S機(jī)性，其壽命極限估計(jì)往往過于保守，以致大部分刀具未能充分利用。在無人化加工系統(tǒng)中，這將意味著換刀次數(shù)和刀具費(fèi)用的增加。因此，機(jī)加工過程中，定量、定時(shí)地掌握刀具切削狀態(tài)，監(jiān)測(cè)與診斷刀具磨損、崩刃等損傷故障，對(duì)于延長(zhǎng)機(jī)床設(shè)備無故障運(yùn)行，提高產(chǎn)品質(zhì)量具有重要的意義?，F(xiàn)在，有些刀具破損監(jiān)測(cè)法已經(jīng)成熟，并用于生產(chǎn)中。后來人們又將目光放在刀具磨損的監(jiān)測(cè)上。在切削過程中，刀具的磨損在所難免。刀具磨損是一個(gè)漸進(jìn)的過程，變化較緩慢，在常規(guī)的操作中單機(jī)床加工時(shí)，工人可以根據(jù)機(jī)床的振動(dòng)或噪聲及切削情況等估計(jì)刀具磨損程度;在自動(dòng)化加工過程中，則需要系統(tǒng)能夠自動(dòng)判斷刀具的磨損程度并及時(shí)換刀，以避免由于刀具磨損量過大造成的加工質(zhì)量下降或其他損失。由于刀具的破損、磨損將影響整個(gè)加工過程，所以通過對(duì)刀具切削狀態(tài)改變的監(jiān)測(cè)可以直接反映出加工過程中其他因素的變化，如加工質(zhì)量(工件表面粗糙度、形狀位置度等)、機(jī)床狀態(tài)(如機(jī)床的振動(dòng))等。這樣，刀具監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控對(duì)象不再只局限于刀具，而是向更寬的范圍拓展。在現(xiàn)代制造技術(shù)中，刀具破損、磨損的在線監(jiān)控及通過刀具監(jiān)控來控制其他過程因素構(gòu)成了刀具監(jiān)控技術(shù)的全部。隨著技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)自動(dòng)化程度、加工精度越來越高，難加工材料和新材料越來越多，零件的形狀越來越復(fù)雜所以需要在自動(dòng)化加工過程中對(duì)刀具進(jìn)行在線監(jiān)控。實(shí)現(xiàn)刀具監(jiān)控是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化制造的前提，是降低制造成本、減少制造環(huán)境危害、保證制造系統(tǒng)正常高效運(yùn)行和產(chǎn)品質(zhì)量的主要手段之一。6-2刀具監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能刀具監(jiān)控是為了達(dá)到對(duì)刀具管理的目的，為此應(yīng)該完成以下工作:1. 刀具切削狀態(tài)檢測(cè)。檢測(cè)刀具是否磨損或者破損(卷刃、崩刃、裂紋、剝落和破碎等非正常磨損)；2. 刀具耐用度管理。檢測(cè)統(tǒng)計(jì)刀具的實(shí)際使用時(shí)間，確定刀具是否刀具磨損鈍化需要更換、刃磨；3. 確定備用刀具的種類和數(shù)量，確定更換備用刀具的時(shí)間；4. 自動(dòng)交換刀具。備用刀具換下該刃磨的刀具或者壽命到期的刀具以及己經(jīng)損壞的刀具；5. 檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該實(shí)時(shí)與刀具管理系統(tǒng)交換信息，及時(shí)更新刀具數(shù)據(jù)庫信息；6-3刀具監(jiān)控方法刀具監(jiān)控有直接和間接兩種途徑：6-3-1刀具直接監(jiān)測(cè)直接測(cè)量刀具刀刃的幾何形狀、位置等參量，一般只能離線測(cè)量?？梢耘袛喑龅毒叩氖褂脿顩r。刀具直接監(jiān)控的常用方法可分為兩類：(1)圖像匹配法攝像機(jī)攝取的刀具圖像經(jīng)過處理后與刀具標(biāo)準(zhǔn)圖像對(duì)照比較，能夠作出刀具正常、磨損、破損等判斷。該方法采用測(cè)量刀具損耗面，這是應(yīng)用光學(xué)技術(shù)監(jiān)測(cè)刀具損耗面大小的方法。其中，一種方法是基于刀具側(cè)面磨損后反光度增大的現(xiàn)象，對(duì)側(cè)面的發(fā)射光進(jìn)行分析就可判斷刀具的磨損情況。另一種方法是采用工業(yè)電視監(jiān)視，電視攝像機(jī)接收刀刃部分的圖像，將圖像數(shù)字化后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理，在屏幕上直接顯示出刀具磨損面的形狀和尺寸。(2)接觸法劃針式接觸測(cè)量，可直接得出表面粗糙度的評(píng)價(jià)參數(shù)Ra或Rz。此類方法僅適于靜態(tài)測(cè)量。目前，絕大多數(shù)此類方法僅適用于計(jì)量室或?qū)嶒?yàn)室環(huán)境。用接觸傳感器、靠模、磁間隙傳感器等工具檢測(cè)切削刃的位置，也能判斷刀具切削狀態(tài)。該方法采用的是接觸觸發(fā)式傳感器，以英國(guó)Renishew公司的產(chǎn)品為代表，該傳感器三個(gè)方向都可觸發(fā)，其工作原理是停機(jī)后退出刀架至原位，回轉(zhuǎn)臂在測(cè)頭接觸刀具后會(huì)發(fā)出一個(gè)信號(hào)，該信號(hào)鎖住測(cè)頭刀刀具瞬間機(jī)床上的坐標(biāo)位置，根據(jù)兩次坐標(biāo)之間的讀數(shù)差，可知刀具的磨損量。利用這一方法可測(cè)出刀尖的磨損、破損尺寸的改變量，但比較麻煩，對(duì)形狀復(fù)雜的工件更是無能為力。6-3-2刀具間接監(jiān)測(cè)間接法是間接測(cè)量正在切削狀態(tài)中刀具的某些參數(shù)，將它與給出的正常切削參數(shù)進(jìn)行比較，從而推斷出刀具是否己磨損或者刀具就要發(fā)生破損的先兆，達(dá)到監(jiān)測(cè)的目的。切削加工過程中，正常刀具、磨損刀具、破損刀具不僅給工件表面留下各不相同的形貌，還能引起某些物理量的顯著變化。檢測(cè)某物理量的實(shí)際數(shù)值，以它為依據(jù)來判斷刀具的狀態(tài)，這就是刀具間接監(jiān)控，其常見方法有:(1)工件表面質(zhì)量監(jiān)測(cè)用激光(或紅外)傳感器檢測(cè)工件加工面的粗糙度。是非接觸式光學(xué)反射測(cè)量，得出的是工件表面粗糙度的相對(duì)值。自動(dòng)監(jiān)測(cè)中通常采用光纖傳感器和激光測(cè)試系統(tǒng)兩種類型。此類方法測(cè)試效率高，可以不留痕跡地測(cè)量軟質(zhì)材料的工件表面，但事先要采用樣品標(biāo)定，受切削液、切屑、工件材質(zhì)、振動(dòng)等的影響較大。當(dāng)前還達(dá)不到實(shí)際應(yīng)用水平。(2)切削溫度監(jiān)測(cè)切削熱也是金屬切削過程中的一個(gè)重要物理現(xiàn)象，刀具的磨損和破損將導(dǎo)致切削溫度的驟增。測(cè)量切削溫度有三種方式:(a)刀具工件組成的自然熱電偶，可以測(cè)出切削區(qū)的平均溫度，不同的刀具、工件材料需進(jìn)行標(biāo)定;(b)固定在刀體內(nèi)某點(diǎn)，由兩種金屬絲組成的熱電偶，測(cè)出的是距離刀刃一定距離處某點(diǎn)的溫度，存在溫度變化時(shí)響應(yīng)慢、事先準(zhǔn)備費(fèi)時(shí)的問題；(c)紅外攝像系統(tǒng)，可測(cè)出切削區(qū)場(chǎng)分布，具有靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短的特點(diǎn)，但儀器復(fù)雜、成本高，聚焦困難，難以測(cè)出切削覆蓋處的刀具溫度。(3)測(cè)量工件尺寸加工中刀尖磨損或破損必然會(huì)引起工件尺寸發(fā)生變化，通過測(cè)量工件己加工表面的尺寸變化量，可以間接判斷出刀具的磨損、破損情況。從測(cè)量方式看，有接觸工件測(cè)量的接觸式和測(cè)量刀具工件之間間隙的非接觸式兩類。測(cè)量工件尺寸方法的優(yōu)點(diǎn)在于能直接定量給出刀具徑向磨損或破損值，并可與加工精度的在線、實(shí)時(shí)補(bǔ)償結(jié)合起來，保證加工質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)精加工中刀具磨損、破損監(jiān)測(cè)的最終目標(biāo)。其缺點(diǎn)在于，實(shí)時(shí)測(cè)量易受測(cè)試環(huán)境干擾，冷卻液、切屑等影響測(cè)量結(jié)果;加工中工件、刀具的熱膨脹和受力變形、主軸回轉(zhuǎn)精度、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)精度、振動(dòng)等因素也會(huì)直接影響測(cè)量的精度。此外，在加工變截面工件時(shí)，要求傳感器進(jìn)行準(zhǔn)確的跟蹤定位，由此也會(huì)帶來定位的誤差，并增加了實(shí)現(xiàn)的難度。(4)測(cè)量刀具與工件接觸處電阻測(cè)量原理可分為兩種:一種是根據(jù)刀具磨損使刀具與工件接觸面積增大而引起接觸電阻減小的效應(yīng)，這種方法受切削用量影響較大并有絕緣要求;二是在刀具后刀面上貼一層薄膜導(dǎo)體，它隨著刀具磨損而消耗，根據(jù)其電阻的變化可知刀具后刀面的磨損量。此方法精度高，但需每把刀具都粘貼薄膜電阻，且在高溫、高壓下薄膜電阻易脫落。該方法應(yīng)用于實(shí)際工況，目前還不太現(xiàn)實(shí)。(5)超聲波監(jiān)測(cè)用超聲波換能器與接受器檢測(cè)主動(dòng)發(fā)射超聲波的反射波。(6)振動(dòng)監(jiān)測(cè)振動(dòng)監(jiān)測(cè)用加速度計(jì)或振動(dòng)傳感器檢測(cè)加工過程中的振動(dòng)信號(hào)。刀具在切削過程中，工件與磨損的刀刃部側(cè)面摩擦，會(huì)產(chǎn)生不同頻率的振動(dòng)。對(duì)這種振動(dòng)的監(jiān)測(cè)有兩種方法:一是把振幅分成高低兩部分，在切削過程中對(duì)此兩部分振幅進(jìn)行對(duì)比;二是把振幅分成幾個(gè)獨(dú)立的幅帶，用微處理機(jī)對(duì)這些幅帶進(jìn)行不斷地記錄及分析，即能監(jiān)測(cè)出刀具后刀面的磨損程度。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局自動(dòng)化研究所在鉆削加工中利用振動(dòng)信息方面取得了成功的經(jīng)驗(yàn)。研制成的系統(tǒng)是利用裝在工件上的加速度傳感器對(duì)振動(dòng)信息進(jìn)行時(shí)效分析，識(shí)別鉆頭的磨損并判斷鉆頭的折斷。(7)切削力監(jiān)測(cè)用應(yīng)變力傳感器或壓電力傳感器檢測(cè)切削力、切削分力的比值。采用切削力作為監(jiān)測(cè)信號(hào)，具有拾取信號(hào)容易，反映迅速、靈敏等優(yōu)點(diǎn)。切削力的測(cè)量成分包括靜態(tài)力和動(dòng)態(tài)力兩部分。采用的監(jiān)測(cè)參數(shù)主要有切削分力大小及其導(dǎo)數(shù)，切削力之比，動(dòng)態(tài)切削力的時(shí)序分析、頻譜、相關(guān)函數(shù)等。其中信號(hào)處理技術(shù)包括了時(shí)域和頻域兩大類。采用切削力監(jiān)測(cè)方法的主要障礙在于，由于切削過程的復(fù)雜性，影響切削力變化的因素很多，較難將刀具磨損與破損性質(zhì)區(qū)分開，使得設(shè)置監(jiān)測(cè)閥值非常困難。(8)功率監(jiān)測(cè)用互感器、分流器、功率傳感器等檢測(cè)主電機(jī)或送給電機(jī)的功率，測(cè)量主軸電機(jī)功率(或扭矩)。此方法是基于刀具磨損或破損時(shí)，切削力將增大，造成切削功率(或扭矩)的增加，使得機(jī)床驅(qū)動(dòng)主運(yùn)動(dòng)電機(jī)的負(fù)載功率變大的現(xiàn)象，一般是通過測(cè)量負(fù)荷功率或電流和電壓間相位及電流波形變化等來達(dá)到監(jiān)測(cè)的目的。該方法具有測(cè)量信號(hào)簡(jiǎn)便、可避免切削環(huán)境中切屑、油煙、振動(dòng)等干擾監(jiān)測(cè)裝置易于安裝等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用較為廣泛的一種監(jiān)測(cè)方法。其缺點(diǎn)是在小尺寸刀具或切削用量比較小時(shí)，電機(jī)功耗變化不明顯，一般僅適合于粗加工場(chǎng)合。此外，電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定、電磁噪聲等干擾都對(duì)監(jiān)測(cè)效果有直接影響。(9)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)是用用聲發(fā)射傳感器檢測(cè)加工中的聲發(fā)射信號(hào)及其特征參量。用于監(jiān)測(cè)刀具的磨損、破損是在無損監(jiān)測(cè)方面新開辟的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。目前，國(guó)外已經(jīng)用在加工中心上。聲發(fā)射是在金屬加工中分子晶格發(fā)生位錯(cuò)、裂紋擴(kuò)展及塑性變形時(shí)釋放出的一種超高頻應(yīng)力波脈沖信號(hào)，其頻率范圍在100kHz以上。刀具破損時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)的某些特征參數(shù)，如包絡(luò)曲線的有效值、突發(fā)脈沖幅值、脈沖計(jì)數(shù)器、功率譜等將發(fā)生變化。聲發(fā)射的優(yōu)越性在于它避開了切削過程中振動(dòng)和音頻噪聲污染嚴(yán)重的低頻區(qū)，在所感興趣的頻率范圍內(nèi)靈敏度較高;能抵御一定范圍內(nèi)切削用量的變化;同時(shí)，由于監(jiān)測(cè)信號(hào)反映的是金屬材料內(nèi)部晶格變化情況，故有可能較早地對(duì)刀具破損進(jìn)行預(yù)報(bào)。其不利之處是特征參數(shù)易受工件和刀具材料的影響，實(shí)際環(huán)境下的高頻噪聲往往造成其誤判;由于聲發(fā)射信號(hào)在接觸界面?zhèn)鞑r(shí)損耗很大，一般要求將傳感器安裝在刀桿上;聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求有超高頻信號(hào)處理儀及與之相應(yīng)的計(jì)算機(jī)，故成本相對(duì)較高。通過以上的分析可知，在直接監(jiān)測(cè)刀具磨損量比較困難的情況下，當(dāng)前針對(duì)刀具磨損狀態(tài)密切相關(guān)的物理量，提出了許多的間接刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)技