隨著制造業技術的不斷進步和發展，國內航空制造領域對提高難加工材料工件加工效率和加工質量的要求也越來越高。數控加工中，因各種原因發生的刀具磨損、刀具斷裂、主軸碰撞等故障都會對正在加工的工件甚至機床本身造成損壞。由于難加工材料工件加工成本高，加工周期長，加工難度大，如果在加工過程中由于刀具或機床碰撞等原因對工件造成損壞，其損失將會很大。因此對用于難加工材料工件的數控機床進行刀具和運行狀態的實時監控，是目前國內制造加工領域巫待解決的一個重要問題。

　　德國ARTIS刀具監控系統是對機床加工過程中刀具磨損或斷刀、主軸碰撞等機床狀態進行監控的一套監控系統，在國外使用較多，在國內大型數控機床，特別是用于難加工材料工件加工的數控機床上鮮有應用。本文以自主研發的某型號大型數控機床為例，介紹通過對ARTIS刀具監控系統的應用和開發設計，實現對機床刀具狀態和加工過程的實時監控。

　　該型號大型數控機床為五坐標數控機床，龍門移動結構，X,Y,Z,A,B五軸聯動，機床主軸為四檔機械主軸，最高轉速達6 000 r/min，具有主軸功率大、扭矩大、變速范圍大、轉速高等特點，適用于由難加工材料制成的結構復雜、精度要求高的大型整體結構件的加工。機床配置西門子SINUMERIK 840D Power line數控系統，SIMODRIVE 611 D全數字交流伺服驅動及伺服電動機。為保證加工質量，提高加工效率，有必要應用ARTIS監控系統對機床刀具工作狀態、碰撞、主軸振動、加工過載等進行實時監控。

1 機床及ARTIS系統配置

　　ARTIS系統是適用于機床制造商對機床刀具及工作狀態進行監控的一套系統。機床制造商通過配置專用傳感器及配套模塊，根據機床結構進行傳感器安裝和硬件連接，配合進行相關軟件設計，即可實現根據監控信號的特征值，對鉆、銑、攻絲等加工過程中的斷刀、缺刀、刀具磨損、碰撞、加工過載、刀具不平衡等進行實時監控，監控結果可記錄在日志文件中，也可在機床數控系統的人機頁面上顯示。

　　(1)數控機床配置

　　SIEMENS PCU50；SIMODRIVE 611D；WINDOWSXP操作系統；Pr0脅us總線接口；SIEMENS 840D NCU軟件版本不低于6.4；SIEMENS 840D系統具備在線刀具監測、自適應控制等選項功能。

　　(2)ARTIS系統硬件
CTM卡：ARTIs監控系統的核心部件，CTM卡安裝在PCU50的PCI插槽中。

　　VA-1或VA-2：振動傳感器，安裝在機械主軸上，用于監控主軸狀態，建議安裝在主軸軸承端面。

　　VG-4：振動傳感器信號轉換模塊，可接2個傳感器，這臺機床為單主軸，僅使用1個傳感器。根據傳感器電纜長度，將VG-4固定安裝在機床合適位置。

　　(3)ARTIS系統軟件

　　ARTIS系統監控軟件：用于監控過程處理、統計等功能，集成在CTM卡中。

　　CTMVISU：ARTIS監控系統可視化軟件，安裝到PCU50中，將采集到的信號通過不同通道實時顯示。

　　DTA：集成在cTM卡上的選項功能，通過Profibus總線將機床數字扭矩數據輸出到CTM系統。

2 ARTIS監控系統功能開發應用
　　2.1初始定義

　　(1)通道定義和監控界面調用

　　ARTIS CTM卡提供4個獨立監控通道，這臺數控機床只使用2個通道，第一通道分配為機床狀態監控(DTA)，監控信息為從Profibus總線采集的電動機扭矩信號；第二通道分配為主軸碰撞監控(VG4)，監控信息為經過VG-4轉換的振動信號。

　　ARTIs cTM功能需集成在SIEMENS系統中，為方便用戶使用ARTIs監控系統，選擇一個sIEMENsHMI(SIEMENs人機界面)軟件鍵進行編程，用軟件鍵來調用監控系統頁面。

　　(2)定義M功能

　　根據這臺數控機床的具體使用環境，定義了針對不同監控通道的M功能，用戶在加工程序中使用M指令就可以激活和關閉ARTIS各項監控功能，同時為有效提高機床使用效率，在加工過程中隨時采樣監控信號，還在機床操作面板上設計自定義按鍵來進行手動操作。

　　M功能描述表(x=通道號1，2，3或4)如表1所述。

　　(3)定義H功能

　　針對機床加工工況的多樣性，不同工況的監控過程信號特征值存儲在不同過程號中，當加工過的工況重復出現時，只需調用過程號，就可以在加工時使用與原工況相同的監控過程信號特征值，有效提高加工效率。

　　每個過程號包括程序號(Progmm Number)、刀號(TNumber)、刀沿號(D Number)和工步號(MachiningNumber)。不同加工速度，對應不同工步號，如64001(111，1，1，61)表示過程號為64001的加工，該工況的程序號為111，刀號為T1，刀沿號為D1，工步號為61。在監控加工工況時，可預先定義過程號、程序號、刀號、刀沿號和工步號，為了方便用戶對程序號、刀號、刀沿號和工步號進行賦值，定義了H功能。在用戶加工程序中，只需對H指令進行賦值，就可存儲需要監控工況的信號特征值。如上述的過程號6400l(111，1，1，61)就可在程序中定義如下：H10=64001，H1l=1，H12=1，H13=61。

　　H功能描述(X=通道號1，2，3或4)如表2所述。

　　考慮到機床的加工對象主要為難加工材料制成的大型整體結構件，而且是五軸加工，根據這臺數控機床的機構和加工特點，針對性地將ARTIS監控系統的主軸碰撞監控、加工過程監控中的自適應控制和刀具監控，及其他一些有利于用戶維護機床和診斷機床故障的功能，通過PLC機床控制程序的設計，應用到這臺數控機床上，以實現保證加工質量，提高加工效率的目的。

　　(1)主軸碰撞監控

主軸碰撞監控是通過安裝在機床主軸頭上的VG-4振動傳感器，監測主軸頭的振動狀態，當主軸發生碰撞造成主軸扭矩增大而使主軸振動值達到設定的保護上限時，程序停止運行，機床停止運動。保護上限值根據機床實際設計參數和用戶使用要求在參數中設定。

　　控制主軸碰撞監控的流程圖如圖2所示。

程序變量說明：
　　MDl00：通過VG4采集到的主軸實際振動值
　　MDl04：主軸振動保護值上限1
　　MDl08：主軸振動保護值上限2
　　其中主軸振動保護值上限2與ARTIS監控系統中設定的碰撞上限數值相同，主軸振動保護值上限l小于主軸振動保護值上限2，具體數值根據機床使用狀況設定。

　　圖3是主軸輕度碰撞實驗監控的圖形。實驗中碰撞的振動值小于主軸振動保護值上限1，機床沒有報警，程序繼續執行。

　　(2)自適應控制

　　機床過程監控是用集成在CTM卡中的DTA功能，通過SIEMENS Profibus總線采集數控系統中電動機扭矩信號，通過軟件開發和參數設置，對刀具及機床狀況進行監控。自適應控制和刀具監控是機床過程監控中最重要的部分。由于這臺數控機床加工對象是難加工材料制成的大型整體結構件，工件的加工周期長，所以通過自適應控制及對刀具狀態的監控對加工質量的保障和機床效率的提高起到重要作用。

　　自適應控制功能是根據工件正常加工狀態確定學習曲線，并根據機床加工工況設定上限進給速度和下限進給速度。以主軸為例，設主軸正常扭矩信號為參考值P_Ref，在加工過程中，通過DTA隨時讀取主軸扭矩值P，和參考值P_Ref進行比較，在PLC機床控制程序中通過編程自動控制坐標進給倍率，從而控制坐標進給速度：①當P>P_Ref時，降低進給速度到設定進給速度下限值；②當P<P_Ref時，提高進給速度到設定進給速度上限值；③當P=P_Ref ，時，進給速度等于程編速度的100％。

　　用自適應控制功能，能夠有效調整機床負載，提高機床加工效率，減少空運行時間。

　　(3)刀具監控

　　刀具監控功能是根據用戶實際使用要求，分別對機床加工過程中的缺刀、刀具磨損、斷刀幾種情況，在ARTIs系統參數中設定不同保護限制值，由PLC機床控制程序針對這些情況控制機床運動。刀具監控流程圖如圖4所示。

　　程序變量說明：
　　MD200：主軸實際扭矩值
　　MD204：缺刀保護限制值
　　MD208：刀具磨損保護限制值
　　MD212：斷刀保護限制值
　　在ARTIS系統參數中，刀具狀態限制值設置要滿足下面條件：MD204<MD208<MD212

　　(4)其他功能
　　為了方便機床維護和操作人員對機床出現的故障進行診斷和維護，通過PLC機床控制程序設計了報警記錄功能和對機床運行有效時段進行ARTIS監控的功能。
　　①報警記錄：當機床在加工監控過程出現扭矩過大、碰撞、斷刀等故障，ARTIS監控系統發出報警時，系統會自動對出現報警時的監控曲線畫面進行硬拷貝，以圖片格式存儲在PCU50硬盤特定目錄下，方便用戶追溯機床出現故障時的狀態。

　　②對機床運行有效時段進行ARTIS監控：機床在加工工件時，操作人員有時會在加工中暫停坐標進給，檢查加工情況。為減少ARTIS系統的無效監控，在PLC機床控制程序中，通過判斷進給倍率的調節頻率和倍率值，對非正常加工工件過程停止ARTIS監控；只有當進給倍率穩定且不為零時，認為機床在正常加工工件，此時再啟動ARTIS監控，這樣就避免一些無效的監控曲線和圖形。

3 結語

　　通過在某型號數控機床上對ARTIS監控系統功能的開發應用，實現了對該機床加工過程的實時監控，對提高機床加工效率、改善產品質量有一定保障作用，也有助于機床的維護保養和故障診斷。上述開發的ARTIs監控功能已在其他幾臺大功率強力切削數控機床上得到應用，效果良好。ARTIS監控系統在批量加工、加工零件負載波動不大、切削余量均勻等加工工況下效果更顯著。如何結合機床和加工特點，使ARTIS監控系統的效能得到充分發揮，還有待在今后工作中不斷探索實踐。