高速切削刀具的数字化改造

曹帅

摘 要：高速切削是一项先进的制造技术，它主要是通过对刀具工作状态（包括温度和振动）的实时监测和基于二维码的车间数字化工程对刀具进行管理和信息收集，从而做到高品质、高效率生产。

关键词：高速切削；监测；数字化；改造

中图分类号：TG71 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）17-0120-02

1 高速切削刀具的发展与研究

1.1 高速切削的发展现状

高速切削技术被公认为是源自Carl. Salomon的观点：当切削速度增大到某一数值时，随着切削速度的增加，切削温度反而下降。但是，学者们对这一变化规律一直存有争议，许多学者都对此进行了大量的实验和探讨，有着不同的观点：一种观点认为Salomon曲线是存在的，并且在一些轻金属的加工过程中得到了证明；另一种观点认为，切削温度随着切削速度的提高而不断升高，直至达到工件材料的熔点。

无论哪种观点正确，当前生产的价值追求就是：在尽量大的切削速度下，刀具温度未达材料耐热极限时，进行可靠、稳定的高速切削工作。但是，在加工过程中还存在一些问题。为了保障工作人员的安全，机床普遍采用全封闭式安全门罩和高强度材料制成的观察窗，工作人员无法实时获取刀具的切削状态。

1.2 课题研究依据

1.2.1 工件材料的性能

刀具热性能是高速切削效率的重要指标之一，每种刀具工件材料都有其特定的加工范围，不同材料的刀具切削加工同一种工件材料时的磨损形态和寿命有很大的不同。在实际应用中，刀具必须在其材料耐热温度范围内进行切削加工。高速切削刀具发生很小的位移就会对工件精度造成很大的影响，而振动产生的位移影响在实际生产中尤为普遍。刀具的耐热性和振动极值一般都是由刀具生产厂家提供的。

1.2.2 传感器技术

本文利用传感器实时获取刀具的性能数据，监测模块使用热电偶传感器和激光测振仪。热电偶传感器直接测量刀具的温度，把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表转换成被测介质的温度；激光测振仪是利用光学普遍的折射、反射效应，把发射的激光束作为光源，对细微的振动位移进行点测，然后处理数据并反馈。

1.2.3 数字化技术

数字化改造的第一步是将有关刀具的基本信息转化、保存在二维码中，便于管理网络的实时监控。利用数字化技术建立包括刀具的技术信息、应用信息和管理信息等内容完整、准确的数据库，使刀具在生产线上实现网络化管理，实现刀具与管理网络的交互联系、动态追踪和实时反应与控制。

车间数字化工程的终端就是调度室，调度室收集和汇总刀具的实时状态并进行处置。其中，包括远程控制机床运行、发送警告至负责人，发送刀具情况到后勤部门，并对刀具进行补充和采购。

2 系统分析设计

该设备的系统结构分为三层：设备层、控制层、管理层。设备层主要是为了实现刀具运行状态的监测，完成对刀具切削的监控和数据采集，由各种传感器等组成；控制层的主要功能是通过计算机处置刀具，由带有以太网接口的PLC组成，以太网交换机与计算机联网，向计算机传送刀具状态数据，数据经

过转换后传给管理层的计算机；管理层接入调度室，主要由计算机组成，提供集中管理功能，可以实现监控刀具的运行工况、故障报警、数据统计和上报情况等操作。

2.1 刀具监测模块设计

根据设计要求建立如图1所示的刀具监测模块图。

图1 刀具监测模块图

二维码识别模块：实现二维码信息扫描、识别的功能，使用西门子SIMATIC MV440固定式二维码读码器。该设备主要用于环境恶劣的工业应用条件下的工件读码。

温度监测模块：在刀具端对刀具头进行测温的模块。使用B型热电偶传感器元件完成温度测量功能，该型元件耐温达2 800℃，热电性质稳定，制造工艺简单，价格较低。

振动监测模块：振动的位移监测根据刀具中心（或基准点）距工件中心（或基准点）的距离变化使用非接触式电涡流传感器进行检查。该元件有工作范围大、灵敏度高和非接触式测量等优点。

2.2 系统软件组成

系统软件主要包括机床主控制程序和辅助管理程序。

机床主控制程序是用来实现机床运行等功能的。在执行主控制程序时，先进行系统模块连接检查，如果该模块出现问题，则运行结束。检测正常后，启动识别设备设置温度和振动限值，运行传感器，开始监测刀具的切削状态，一旦检测到异常，则要立刻停车。

辅助管理程序是用来汇总信息、处理和上报相关信息的。当传感器监测到异常情况时，辅助管理程序开始运行，将情况通报至调度室，由调度室完成后续的工作。程序流程如图2所示。

图2 辅助管理程序流程图

3 系统功能的实现

3.1 激光打标

目前，使用较为广泛的标识技术有两种：①标签挂载。这

种技术不利于刀具的使用，且标签易损坏、丢失。②型号刻录。这种技术应用得最多，但是标识容易被污蚀。

激光打标技术是新型的录入技术，激光打标不用接触物体表面即可打印，不会对刀具造成损害，不会对刀具的切削性能产生影响，具有成本低和使用寿命长等优点。

3.2 热电偶传感器

在热电偶回路中接入电位计E，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，就不会影响回路中原来的热电势，原理如图3所示。

3.3 激光测振仪

激光测振仪是基于光学干涉原理设计的，它采用非接触式测量技术，可以实时测量刀具振动的位移量，分辨率、精度很高，工作原理如图4所示。

图3 热电偶传感器原理图 图4 激光测振仪系统示意图

4 车间数字化

4.1 刀具入库

先将刀具信息录入系统，在刀具损坏后，可以及时提供生产所需的刀具。这样做可以提高企业的经济效益，缩短生产准备周期。

4.2 刀具查询

调度室可以实时查询每台正在切削的机床刀具的运行状态，从统计的大量数据中可以获取最优刀具切削组合方案，提高刀具的利用率，延长刀具的使用寿命，降低生产成本。

二维码不仅可以由机床设备读取，工作人员也可以通过二维码识别设备（比如手机）获取刀具信息，这对工作人员进行设备安装和调试刀具有一定的帮助。

4.3 刀具报废

对于异常运行的刀具来说，接到警告的负责人要对刀具寿命进行全方面的检测，对其重要尺寸、精度和角度进行维护和修复，延长其使用寿命。如果修整后的刀具还能继续切削，则将该刀具录入系统，这样后勤部能实时获取信息并减少采购计划；对于检测后精度和切削不达标且无法修整的刀具，要及时进行报废处理。

4.4 刀具采购

后勤部根据调度室的数据汇总制订采购计划，合理调整生产资源，以保证生产的顺利进行。

5 结束语

针对高速切削刀具的使用特点和研究现状进行分析，并结合车间对刀具的管理要求，对刀具的运行状态进行智能化监控，在提高高速切削稳定性方面获得了较大的进步。结合二维码信息采集技术，设计、开发了高速切削的数字化改造系统，以适应企业集成化和资源化的需求，降低了生产成本，提高了企业竞争力。本文中提及的高速切削数字化改造已基本获得了成功，达到了预期的目标。

〔编辑：白洁〕

Digital Transformation of High-speed Cutting Tools

Cao Shuai

Abstract： High-speed cutting is an advanced manufacturing technology， it is mainly through the tool work status（including temperature and vibration）real-time monitoring and two-dimensional code based workshop on digitization project management and information gathering tool， thereby leading to high quality， high production efficiency.

Key words： high-speed cutting； monitoring； digitization； transformation

4.1 刀具入库

先将刀具信息录入系统，在刀具损坏后，可以及时提供生产所需的刀具。这样做可以提高企业的经济效益，缩短生产准备周期。

4.2 刀具查询

调度室可以实时查询每台正在切削的机床刀具的运行状态，从统计的大量数据中可以获取最优刀具切削组合方案，提高刀具的利用率，延长刀具的使用寿命，降低生产成本。

二维码不仅可以由机床设备读取，工作人员也可以通过二维码识别设备（比如手机）获取刀具信息，这对工作人员进行设备安装和调试刀具有一定的帮助。

4.3 刀具报废

对于异常运行的刀具来说，接到警告的负责人要对刀具寿命进行全方面的检测，对其重要尺寸、精度和角度进行维护和修复，延长其使用寿命。如果修整后的刀具还能继续切削，则将该刀具录入系统，这样后勤部能实时获取信息并减少采购计划；对于检测后精度和切削不达标且无法修整的刀具，要及时进行报废处理。

4.4 刀具采购

后勤部根据调度室的数据汇总制订采购计划，合理调整生产资源，以保证生产的顺利进行。

5 结束语

针对高速切削刀具的使用特点和研究现状进行分析，并结合车间对刀具的管理要求，对刀具的运行状态进行智能化监控，在提高高速切削稳定性方面获得了较大的进步。结合二维码信息采集技术，设计、开发了高速切削的数字化改造系统，以适应企业集成化和资源化的需求，降低了生产成本，提高了企业竞争力。本文中提及的高速切削数字化改造已基本获得了成功，达到了预期的目标。

〔编辑：白洁〕

Digital Transformation of High-speed Cutting Tools

Cao Shuai

Abstract： High-speed cutting is an advanced manufacturing technology， it is mainly through the tool work status（including temperature and vibration）real-time monitoring and two-dimensional code based workshop on digitization project management and information gathering tool， thereby leading to high quality， high production efficiency.

Key words： high-speed cutting； monitoring； digitization； transformation

4.1 刀具入库

先将刀具信息录入系统，在刀具损坏后，可以及时提供生产所需的刀具。这样做可以提高企业的经济效益，缩短生产准备周期。

4.2 刀具查询

调度室可以实时查询每台正在切削的机床刀具的运行状态，从统计的大量数据中可以获取最优刀具切削组合方案，提高刀具的利用率，延长刀具的使用寿命，降低生产成本。

二维码不仅可以由机床设备读取，工作人员也可以通过二维码识别设备（比如手机）获取刀具信息，这对工作人员进行设备安装和调试刀具有一定的帮助。

4.3 刀具报废

对于异常运行的刀具来说，接到警告的负责人要对刀具寿命进行全方面的检测，对其重要尺寸、精度和角度进行维护和修复，延长其使用寿命。如果修整后的刀具还能继续切削，则将该刀具录入系统，这样后勤部能实时获取信息并减少采购计划；对于检测后精度和切削不达标且无法修整的刀具，要及时进行报废处理。

4.4 刀具采购

后勤部根据调度室的数据汇总制订采购计划，合理调整生产资源，以保证生产的顺利进行。

5 结束语

针对高速切削刀具的使用特点和研究现状进行分析，并结合车间对刀具的管理要求，对刀具的运行状态进行智能化监控，在提高高速切削稳定性方面获得了较大的进步。结合二维码信息采集技术，设计、开发了高速切削的数字化改造系统，以适应企业集成化和资源化的需求，降低了生产成本，提高了企业竞争力。本文中提及的高速切削数字化改造已基本获得了成功，达到了预期的目标。

〔编辑：白洁〕

Digital Transformation of High-speed Cutting Tools

Cao Shuai

Abstract： High-speed cutting is an advanced manufacturing technology， it is mainly through the tool work status（including temperature and vibration）real-time monitoring and two-dimensional code based workshop on digitization project management and information gathering tool， thereby leading to high quality， high production efficiency.

Key words： high-speed cutting； monitoring； digitization； transformation