奇石樂正攜手硬車削機(jī)械專家瑞典Minganti公司，在切削力測(cè)量傳感器技術(shù)領(lǐng)域開拓創(chuàng)新。通過(guò)將壓電型應(yīng)變傳感器與壓電加速度計(jì)相結(jié)合，用戶已經(jīng)能夠從機(jī)床自動(dòng)化監(jiān)控中獲益，其中包括監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、獲取盈利并保持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵要素。可靠的機(jī)床監(jiān)控能夠?qū)崟r(shí)洞察生產(chǎn)過(guò)程，為穩(wěn)定、高效且可重復(fù)的生產(chǎn)制造奠定基礎(chǔ)，助力機(jī)床操作員明智地制定針對(duì)短期和長(zhǎng)期改進(jìn)的措施。奇石樂的創(chuàng)新機(jī)床監(jiān)控解決方案甚至能捕捉高動(dòng)態(tài)加工過(guò)程中的異常情況，便于用戶及時(shí)響應(yīng)，從而保障生產(chǎn)效率、降低廢品率，并延長(zhǎng)刀具使用壽命。基于適配的傳感器技術(shù)，持續(xù)對(duì)機(jī)床和生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，已然成為當(dāng)今制造業(yè)成功的關(guān)鍵因素。

使用壓電型應(yīng)變傳感器進(jìn)行機(jī)床監(jiān)控

奇石樂集團(tuán)推出的機(jī)床監(jiān)控解決方案，其特色在于將傳感器融入機(jī)床的機(jī)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(tuán)深厚的行業(yè)專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，僅在機(jī)床的特定位置安裝實(shí)際所需的傳感器，以此最大程度降低機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。盡管將傳感器集成至機(jī)床的機(jī)械和電氣結(jié)構(gòu)頗具挑戰(zhàn)，但該方案仍具有顯著優(yōu)勢(shì)。

傳感器的類型和安裝位置對(duì)于精準(zhǔn)捕捉高動(dòng)態(tài)過(guò)程至關(guān)重要。傳感器需安裝在靠近切削點(diǎn)的位置，既不能干擾加工過(guò)程，又應(yīng)避免受到實(shí)際切削以外的其他因素影響。切削力監(jiān)測(cè)是確保加工操作穩(wěn)定的關(guān)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(jī)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(yīng)變傳感器，可以間接、高精度地測(cè)量加工中的切削力。

測(cè)量作用于機(jī)床結(jié)構(gòu)的變形力是獲取切削力的一種方式，可通過(guò)將壓電型表面應(yīng)變傳感器連接（或集成）到機(jī)床結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)（見圖 1 和圖 2）。在近期與 Minganti 公司合作的項(xiàng)目中，立式車床配備了集成式奇石樂壓電表面應(yīng)變傳感器 9232A。該傳感器測(cè)量范圍為 ±600 με，具備高靈敏度，能夠測(cè)量表面的拉伸和壓縮應(yīng)變。 

▲圖2：Minganti立式車床：機(jī)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(lǐng)域高精度制造軸承及其他零部件的硬車削和珩磨機(jī)床的市場(chǎng)領(lǐng)軍企業(yè)之一。公司總部位于瑞典，全球已裝機(jī)數(shù)千臺(tái)設(shè)備。

“通過(guò)與合作伙伴奇石樂共同開發(fā)的機(jī)床監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)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?！?/p>

MINGANTI 公司全球總裁Marcus Caldana

接近切削刃的間接切削力測(cè)量

全新的機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)功能多樣，既能檢測(cè)刀具的嚴(yán)重磨損和破損情況，又能在發(fā)生碰撞時(shí)及時(shí)停機(jī)。此外，基于精確測(cè)量數(shù)據(jù)建立力控制后，該系統(tǒng)還可用于監(jiān)測(cè)和提升輪廓精度。硬車削過(guò)程中產(chǎn)生的巨大徑向力會(huì)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(jī)床控制單元可進(jìn)行部分補(bǔ)償，但仍足以被精度良好的應(yīng)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(yīng)變傳感器。

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

機(jī)床監(jiān)控也可基于機(jī)床信號(hào)，但該方法的監(jiān)測(cè)質(zhì)量取決于機(jī)床類型和磨損狀況。圖 4 對(duì)比了線性軸的功率信號(hào)和壓電型應(yīng)變傳感器的測(cè)量結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)機(jī)床信號(hào)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)與切削過(guò)程無(wú)關(guān)的偏差，因此并不適用于針對(duì)刀具磨損或產(chǎn)品質(zhì)量的機(jī)床控制系統(tǒng)。

于是Minganti 公司和奇石樂決定增設(shè)第二個(gè)傳感器，以完善機(jī)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(jì)被集成到滑枕中（見圖 3）。它通過(guò)提供更高頻的測(cè)量數(shù)據(jù)，補(bǔ)充力（應(yīng)變）測(cè)量的不足，從而能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)加工過(guò)程中的突發(fā)變化。兩個(gè)傳感器的輸入信號(hào)均由奇石樂5074B 型數(shù)字電荷放大器處理，該放大器通過(guò) PROFINET 與機(jī)床控制器相連。這款電荷放大器的一大優(yōu)勢(shì)在于，用戶可自動(dòng)進(jìn)行低通和高通濾波，輕松聚焦信號(hào)的高動(dòng)態(tài)部分。

 ▲圖4：硬車削：刀具磨損發(fā)生時(shí)力和振動(dòng)信號(hào)示例，磨損導(dǎo)致信號(hào)上下波動(dòng)

不費(fèi)吹灰之力，即可實(shí)現(xiàn)高表面精度

擴(kuò)展后的機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)可用于監(jiān)測(cè)刀具磨損、檢測(cè)刀具破損，以及預(yù)防和控制機(jī)床碰撞。系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)識(shí)別正常信號(hào)水平，并持續(xù)監(jiān)測(cè)信號(hào)變化，一旦發(fā)現(xiàn)偏差便能及時(shí)預(yù)警。操作人員可據(jù)此采取必要措施，如更換刀具、停止機(jī)床運(yùn)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(guò)大，導(dǎo)致每次旋轉(zhuǎn)時(shí)切削深度變化過(guò)大。這些故障發(fā)生時(shí)，力信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)會(huì)有明顯變化（見圖 5）。 

▲圖5：切削力測(cè)量——圖中顯示了奇石樂應(yīng)變傳感器（上圖）的力（應(yīng)變）信號(hào)與切削后的表面輪廓測(cè)量（下圖）之間的良好相關(guān)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(huì)影響滾動(dòng)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(yán)格公差，對(duì)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(jìn)行磨削或珩磨加工的原因。奇石樂機(jī)床監(jiān)控系統(tǒng)能夠間接測(cè)量刀具的應(yīng)變（撓度），因此在應(yīng)變（間接力）信號(hào)中，輪廓精度（形狀偏差）一目了然（見圖 6）。在車削過(guò)程中，借助奇石樂專利的閉環(huán)控制技術(shù)，力信號(hào)輸入可直接用于調(diào)整切削條件，以補(bǔ)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(bǔ)充道：“我們深知，輪廓精度與特定切削力密切相關(guān)。通過(guò)與合作伙伴奇石樂共同開發(fā)的機(jī)床監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)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(xiàng)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(cè)量所得的切削力數(shù)據(jù)將作為參考，用于開發(fā)和驗(yàn)證硬車削機(jī)床的各類傳感器策略。

 ▲Minganti M25硬車削機(jī)床，配備兩個(gè)滑枕