实时切削力监测提升精度与效率

图 1. 机加工切削力可用压电应变传感器（如 Kistler 9232A）间接高精度测量。（图片：Kistler Group）

高生产率、低制造成本、高工件质量：这是工业制造商实现可持续性、盈利能力和竞争优势的关键因素。可靠的机床监测提供持续过程的宝贵实时洞察；它是可靠、高产、可复现制造的基础，帮助操作员在短期和长期改进中做出明智决策。该技术甚至能捕捉高动态加工过程中的异常，让用户即时响应，确保高生产率、降低废品率、延长刀具寿命。基于合适传感器技术的持续机床和过程监测是当今制造业的关键成功因素。

使用 PE 应变传感器进行机床监测

Kistler Group (Winterthur, Switzerland) 的机床监测方案采用可集成到机床机械和电气环境中的传感器。但仅安装实际必要的传感器在机床规定位置。这种方法最小化机床监测系统的复杂性和成本，尽管将传感器集成到机床机械和电气结构中仍具挑战。

传感器类型和位置是以最大精度捕捉高动态过程的关键成功因素。传感器必须靠近切削点放置，既不干扰加工过程，又不受除实际切削外的任何影响。切削力监测在确保生产严格公差零件所需的稳定加工操作中发挥关键作用。选择此类机床监测方案的用户在降低总加工成本的同时，也可向自主加工迈进。

捕捉切削力的一种方法是测量作用在机床结构上的变形力。这可通过贴装或集成到机床结构上的压电表面应变传感器实现。在最近与 MINGANTI GLOBAL AB (Lidköping, Sweden) 的项目中，立式车床配备了集成 Kistler PE 表面应变传感器 9232A，其测量范围 ±600 微应变 (με)，具备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. 夹持刀具的机床滑枕。（图片：Kistler Group）

该机床监测系统旨在检测高刀具磨损和断裂，并在碰撞时停机。此外，基于精确测量数据建立力控制后，可用于监测和改善轮廓精度。硬车削中产生的大径向力导致携带刀具的滑枕发生弹性变形。变形极小，机床控制单元可部分补偿。但即便如此，变形仍足够大，可由靠近切削刃的高精度应变传感器准确捕获。

机床监测也可基于机床信号，但此应用中质量取决于机床类型和磨损状态。机床信号有时显示与切削过程无关的偏差，因此不足以用于针对刀具磨损或产品质量的机床控制系统。

Minganti 和 Kistler 决定安装第二个传感器完善监测方案。这提供冗余，也考虑到零件高成本。为此，额外集成了 Kistler 8274A 单轴压电加速度计到滑枕。它通过提供高频测量补充力（应变）测量，以检测过程突变。两个传感器输入经数字电荷放大器处理，通过 PROFINET 连接机床控制。该放大器主要优势之一是用户可自动执行低通和高通滤波，轻松聚焦信号的高动态部分。

无需额外努力即可实现高表面轮廓精度

图 3. 图表显示 Kistler 应变传感器力（应变）信号（上图）与切削后表面轮廓测量（下图）良好相关。（图片：Kistler Group）

扩展的机床监测系统用于监测刀具磨损、检测刀具断裂、检测和控制机床碰撞。它自动学习常规信号电平，随后监测变化以检测偏差。这允许操作员启动必要行动，如换刀、停机等。刀具故障（断裂、刃口崩损等）可能由多种原因引起：数控加载的切削数据错误、切削刃质量低、冷却液压力错误、或工件过度椭圆导致每转切削深度大幅变化。此类故障发生时，其效应在力和振动信号中清晰可见。

轴承部件最重要的质量参数之一是表面轮廓精度（“直线度”）。该参数影响轧制元件与套圈间摩擦。在大尺寸套圈（直径 1-2 米）上保持严格公差（3-6 μm）是硬车削的挑战性方面，因此许多轴承制造商额外进行磨削或珩磨。Kistler 机床监测系统可间接测量刀具应变（挠度），使轮廓精度（形状偏差）在应变（间接力）信号上清晰可见。力信号输入可直接在车削操作中通过闭环控制改变切削条件，补偿挠度。

精确机床监测对精密加工的重要性

虽然监测机床信号可提供运行条件信息，但可能指示与实际加工精度无直接关联的问题。正如本文所述，Kistler 拥有应变计和加速度计等直接监测切削过程的方法。切削力监测在确保生产严格公差零件所需的稳定加工操作中发挥关键作用。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 Kistler 业务发展经理 Buelent Tasdelen 撰写。更多信息请访问此处。