实时切削力监控提高精度和效率

图 1. 使用奇石乐 9232A 等压电应变传感器，可以高精度间接测量加工中的切削力。 （图片来源：奇石乐集团）

高生产率、低制造成本和高工件质量：这些是为工业制造商带来可持续性、盈利能力和竞争优势的关键因素。可靠的机器监控可为正在进行的流程提供有价值的实时见解；它是可靠、高效和可重复制造的基础，可帮助机器操作员就短期和长期改进做出有根据的决策。该技术甚至可以捕获高动态加工过程中的异常情况，因此用户可以立即做出响应，以确保高生产率、降低废品率并延长刀具寿命。得益于所有这些优势，基于合适的传感器技术的连续机器和过程监控是当今制造业的关键成功因素。

使用 PE 应变传感器进行机器监控

瑞士温特图尔奇石乐集团的机器监控解决方案采用可集成到机器机械和电气环境中的传感器。然而，只有那些实际需要的传感器才会安装在机器中的指定位置。尽管将传感器集成到机器的机械和电气结构中仍然具有挑战性，但这种方法最大限度地降低了机器监控系统的复杂性和成本。

传感器类型和位置是以最高精度捕获高度动态过程的关键成功因素。传感器必须放置在靠近切削点的位置，使其不会干扰加工过程，但同时不应受到实际切削以外的任何影响。切削力的监测对于确保生产紧公差零件所需的稳定加工操作起着关键作用。选择此类机器监控解决方案的用户还可以迈向自主加工并降低总加工成本。

捕获切削力的一种方法是测量作用在机床结构上的变形力。这可以通过连接到或集成到机器结构中的压电表面应变传感器来实现。在最近与瑞典利德雪平 MINGANTI GLOBAL AB 合作的一个项目中，立式车床配备了集成的奇石乐 PE 表面应变传感器 9232A，由于测量范围为 ±600 微应变 (με)，因此可提供测量表面拉伸和压缩应变所需的高灵敏度。

靠近切削刃的间接切削力测量

图 2. 夹紧切削刀架的机器滑枕。 （图片来源：奇石乐集团）

该机器监控系统旨在检测刀具的严重磨损和刀具破损，并在发生碰撞时停止机器。此外，一旦在精确测量数据的基础上建立了力控制，它就可以用于监控和提高轮廓精度。硬车削中产生的大径向力会导致承载切削刀架的滑枕发生弹性变形。变形很小，可以通过机器控制单元部分补偿。但即便如此，它仍然足够大，可以被位于非常靠近切削刃的高精度应变传感器捕获。

机器监控也可以基于机器信号，但在此应用中，质量取决于机器类型和磨损状态。机器信号有时会显示与切削过程无关的偏差，因此它们不足以用于针对刀具磨损或产品质量的机器控制系统。

Minganti 和 Kistler 决定安装第二个传感器来完成机器监控解决方案。这样提供了一定的冗余度，同时也考虑到了零件的高成本。为此，RAM 中还集成了奇石乐 8274A 单轴压电加速度计。它通过提供更高频率的测量来补充力（应变）测量，以便可以检测过程中的突然变化。两个传感器输入均由数字电荷放大器进行处理，该放大器通过 PROFINET 连接到机器控制器。该电荷放大器的主要优点之一是用户可以自动执行低通和高通滤波，从而轻松关注信号的高动态部分。

无需额外努力即可实现高表面轮廓精度

图 3. 该图显示了奇石乐应变传感器的力（应变）信号（上图）与切割后的表面轮廓测量值（下图）之间良好的相关性。 （图片来源：奇石乐集团）

扩展的机器监控系统用于监控刀具磨损、检测刀具破损以及检测和控制机器崩溃。它自动学习常规信号电平，然后监视变化以检测偏差。这使得操作员能够启动必要的操作，例如更换工具、停止机器等。刀具故障（破损、崩刃等）可能由多种原因引起，包括数控系统中加载的切削数据不正确、切削刃质量低、冷却液压力错误或环太椭圆，导致每次旋转时切削深度发生重大变化。当发生此类故障时，其影响在力和振动信号中都清晰可见。

轴承部件最重要的质量参数之一是表面的轮廓精度（“直线度”）。该参数影响轴承中滚动元件和套圈之间的摩擦。在大尺寸环（直径 1 至 2 米）上保持严格的公差（3 - 6 μm）是硬车削工艺的一个具有挑战性的方面，这就是为什么许多轴承生产商将磨削或珩磨作为额外步骤的原因。奇石乐机器监控系统可以间接测量刀具的应变（挠度），因此轮廓精度（形状偏差）在应变（间接力）信号上清晰可见。车削过程中可以直接使用力信号输入，通过闭环控制改变切削条件，从而补偿挠度。

准确的机器监控对于精确加工的重要性

尽管监控机器信号可以提供有关操作条件的信息，但它可能表明与实际加工精度不直接相关的问题。然而，正如我们在本文中所述，奇石乐​​拥有直接监控切割过程的方法，例如应变计和加速度计。切削力的监测对于确保生产紧公差零件所需的稳定加工操作起着关键作用。 Minganti Global AB 总裁 Marcus Caldana 表示，精确测量切削力是保持轮廓精度的重要一步。

本文由奇石乐业务开发经理 Buelent Tasdelen 撰写。如需了解更多信息，请访问此处。