成功案例 | 奇石樂創(chuàng)新機床監(jiān)控解決方案，助力瑞典Minganti公司控制硬車削中的切削力

奇石樂正攜手硬車削機械專家瑞典Minganti公司，在切削力測量傳感器技術領域開拓創(chuàng)新。通過將壓電型應變傳感器與壓電加速度計相結合，用戶已經(jīng)能夠從機床自動化監(jiān)控中獲益，其中包括監(jiān)測刀具磨損，提升軸承及其它高科技部件加工的輪廓精度。

高生產(chǎn)率、低制造成本和高工件質(zhì)量，這些都是工業(yè)制造商實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、獲取盈利并保持競爭優(yōu)勢的關鍵要素。可靠的機床監(jiān)控能夠?qū)崟r洞察生產(chǎn)過程，為穩(wěn)定、高效且可重復的生產(chǎn)制造奠定基礎，助力機床操作員明智地制定針對短期和長期改進的措施。奇石樂的創(chuàng)新機床監(jiān)控解決方案甚至能捕捉高動態(tài)加工過程中的異常情況，便于用戶及時響應，從而保障生產(chǎn)效率、降低廢品率，并延長刀具使用壽命。基于適配的傳感器技術，持續(xù)對機床和生產(chǎn)過程進行監(jiān)控，已然成為當今制造業(yè)成功的關鍵因素。

使用壓電型應變傳感器進行機床監(jiān)控

奇石樂集團推出的機床監(jiān)控解決方案，其特色在于將傳感器融入機床的機械和電氣環(huán)境。這些解決方案充分利用了奇石樂豐富的產(chǎn)品體系以及集團深厚的行業(yè)專業(yè)經(jīng)驗，僅在機床的特定位置安裝實際所需的傳感器，以此最大程度降低機床監(jiān)控系統(tǒng)的復雜度和成本。盡管將傳感器集成至機床的機械和電氣結構頗具挑戰(zhàn)，但該方案仍具有顯著優(yōu)勢。

傳感器的類型和安裝位置對于精準捕捉高動態(tài)過程至關重要。傳感器需安裝在靠近切削點的位置，既不能干擾加工過程，又應避免受到實際切削以外的其他因素影響。切削力監(jiān)測是確保加工操作穩(wěn)定的關鍵環(huán)節(jié)，而穩(wěn)定的加工操作是生產(chǎn)高精度零部件的必要條件。選擇此類機床監(jiān)控解決方案的客戶，不僅能逐步邁向自主加工，還能降低整體加工成本。

▲圖1：使用奇石樂9232A型壓電應變傳感器，可以間接、高精度地測量加工中的切削力。

測量作用于機床結構的變形力是獲取切削力的一種方式，可通過將壓電型表面應變傳感器連接（或集成）到機床結構來實現(xiàn)（見圖 1 和圖 2）。在近期與 Minganti 公司合作的項目中，立式車床配備了集成式奇石樂壓電表面應變傳感器 9232A。該傳感器測量范圍為 ±600 με，具備高靈敏度，能夠測量表面的拉伸和壓縮應變。 

▲圖2：Minganti立式車床：機床的滑枕，用于夾緊切削工具的刀架 

Minganti 公司于 1919 年在意大利博洛尼亞成立，如今已成為航空航天、工業(yè)和汽車領域高精度制造軸承及其他零部件的硬車削和珩磨機床的市場領軍企業(yè)之一。公司總部位于瑞典，全球已裝機數(shù)千臺設備。

“通過與合作伙伴奇石樂共同開發(fā)的機床監(jiān)測系統(tǒng)測量切削力，使我們朝智能編程控制輪廓精度的方向又邁出了重要一步。”

MINGANTI 公司全球總裁Marcus Caldana

接近切削刃的間接切削力測量

全新的機床監(jiān)控系統(tǒng)功能多樣，既能檢測刀具的嚴重磨損和破損情況，又能在發(fā)生碰撞時及時停機。此外，基于精確測量數(shù)據(jù)建立力控制后，該系統(tǒng)還可用于監(jiān)測和提升輪廓精度。硬車削過程中產(chǎn)生的巨大徑向力會使承載切削刀架的滑枕發(fā)生彈性變形（見圖 3）。這種變形雖微小，機床控制單元可進行部分補償，但仍足以被精度良好的應變傳感器捕捉到，比如安裝在靠近切削刃位置的奇石樂 9232A型表面應變傳感器。

▲圖3：Minganti的機床監(jiān)控。步驟1：比較壓電型應變傳感器測量的力（上圖）與線性進給軸測量的功率（下圖）

機床監(jiān)控也可基于機床信號，但該方法的監(jiān)測質(zhì)量取決于機床類型和磨損狀況。圖 4 對比了線性軸的功率信號和壓電型應變傳感器的測量結果，可以發(fā)現(xiàn)機床信號有時會出現(xiàn)與切削過程無關的偏差，因此并不適用于針對刀具磨損或產(chǎn)品質(zhì)量的機床控制系統(tǒng)。

于是Minganti 公司和奇石樂決定增設第二個傳感器，以完善機床監(jiān)控方案。這樣做不僅能提供一定的冗余保障，還考慮到了零部件的高昂成本。為此，奇石樂的 8274A 單軸壓電型加速度計被集成到滑枕中（見圖 3）。它通過提供更高頻的測量數(shù)據(jù)，補充力（應變）測量的不足，從而能夠及時發(fā)現(xiàn)加工過程中的突發(fā)變化。兩個傳感器的輸入信號均由奇石樂5074B 型數(shù)字電荷放大器處理，該放大器通過 PROFINET 與機床控制器相連。這款電荷放大器的一大優(yōu)勢在于，用戶可自動進行低通和高通濾波，輕松聚焦信號的高動態(tài)部分。

 ▲圖4：硬車削：刀具磨損發(fā)生時力和振動信號示例，磨損導致信號上下波動

不費吹灰之力，即可實現(xiàn)高表面精度

擴展后的機床監(jiān)控系統(tǒng)可用于監(jiān)測刀具磨損、檢測刀具破損，以及預防和控制機床碰撞。系統(tǒng)會自動識別正常信號水平，并持續(xù)監(jiān)測信號變化，一旦發(fā)現(xiàn)偏差便能及時預警。操作人員可據(jù)此采取必要措施，如更換刀具、停止機床運行等。刀具故障（如破損、刃口崩裂等）的成因多種多樣，可能是數(shù)控系統(tǒng)輸入的切削數(shù)據(jù)有誤、切削刃質(zhì)量欠佳、冷卻液壓力異常，或是環(huán)橢圓度過大，導致每次旋轉(zhuǎn)時切削深度變化過大。這些故障發(fā)生時，力信號和振動信號會有明顯變化（見圖 5）。 

▲圖5：切削力測量——圖中顯示了奇石樂應變傳感器（上圖）的力（應變）信號與切削后的表面輪廓測量（下圖）之間的良好相關性。

軸承部件的重要質(zhì)量參數(shù)之一是表面的輪廓精度（或 “直線度”），它會影響滾動部件與軸承套圈之間的摩擦力。在大尺寸套圈（直徑 1 至 2 米）上維持 3 - 6 微米的嚴格公差，對硬車削工藝而言頗具挑戰(zhàn)，這也是許多軸承制造商需要額外進行磨削或珩磨加工的原因。奇石樂機床監(jiān)控系統(tǒng)能夠間接測量刀具的應變（撓度），因此在應變（間接力）信號中，輪廓精度（形狀偏差）一目了然（見圖 6）。在車削過程中，借助奇石樂專利的閉環(huán)控制技術，力信號輸入可直接用于調(diào)整切削條件，以補償?shù)毒邠隙取?/p>

▲圖6：部分覆蓋的Minganti硬車削床，配有操作員和生產(chǎn)線。

MINGANTI 公司全球總裁 Marcus Caldana 補充道：“我們深知，輪廓精度與特定切削力密切相關。通過與合作伙伴奇石樂共同開發(fā)的機床監(jiān)測系統(tǒng)測量切削力，使我們朝智能編程控制輪廓精度的方向又邁出了重要一步。” 在后續(xù)合作項目中，Minganti 和奇石樂正在研發(fā)集成壓電傳感器的特殊刀具夾緊外殼。測量所得的切削力數(shù)據(jù)將作為參考，用于開發(fā)和驗證硬車削機床的各類傳感器策略。

 ▲Minganti M25硬車削機床，配備兩個滑枕