柔性制造系統(tǒng)中刀具管理與在線檢測(cè)技術(shù)研究

    在柔性制造系統(tǒng)中，被加工零件的品種較多，零件加工工藝比較復(fù)雜，且工序高度集中，需要的刀具種類、規(guī)格、數(shù)量是很多的。隨著被加工零件的變化和刀具磨損、破損，需要定時(shí)強(qiáng)制性換刀和隨機(jī)換刀。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，刀具頻繁的在各機(jī)床之間、機(jī)床與刀庫(kù)之間進(jìn)行交換，刀具流的運(yùn)輸、管理和監(jiān)控是很復(fù)雜的。因此，需要有一個(gè)先進(jìn)、實(shí)用、功能完善的刀具管理系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)柔性制造系統(tǒng)中刀具的調(diào)度、儲(chǔ)存及信息管理等任務(wù)。

1 刀具管理系統(tǒng)應(yīng)具備的性能

    刀具管理系統(tǒng)應(yīng)具備的性能：一是管理數(shù)量龐大的刀具，通常是數(shù)百把至幾千把刀具；二是刀具輸送自動(dòng)化程度高，具有高性能、智能化的機(jī)器人作為刀具流動(dòng)的傳送工具；三是自動(dòng)、準(zhǔn)確地采集刀具信息；四是借助大型數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具的調(diào)度及動(dòng)靜態(tài)最優(yōu)化管理；五是自動(dòng)在線檢測(cè)刀具壽命及刀具磨損、破損管理，并能實(shí)現(xiàn)在線換刀功能。為此，以某一關(guān)鍵零部件的柔性加工系統(tǒng)中的刀具管理系統(tǒng)為例進(jìn)行說(shuō)明。

2 刀具管理系統(tǒng)的組成

    該系統(tǒng)采用 VB6.0 編程系統(tǒng)軟件作為開發(fā)平臺(tái)，由 6 個(gè)程序塊及 5 個(gè)外存文件組成。

2.1 程序塊

2.1.1 用戶登錄模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)措施，防止非法用戶進(jìn)入系統(tǒng)，確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)運(yùn)行的安全。

2.1.2 系統(tǒng)運(yùn)行控制模塊主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的初始化，以完成對(duì)在線刀具管理各種模塊的起�？刂�、任務(wù)排隊(duì)及接口管理，確認(rèn)加工中心刀庫(kù)及中央刀庫(kù)的信息。

2.1.3 刀具離線管理模塊主要實(shí)現(xiàn)刀具庫(kù)的管理，進(jìn)行刀具需求分析，刀具裝配計(jì)劃編制，刀具的刃磨和預(yù)調(diào)，刀具的編碼生成、粘貼及信息輸入，刀具的組件管理，生成刀具購(gòu)買清單，及時(shí)向線內(nèi)提供所需刀具。

2.1.4 刀具在線管理模塊主要實(shí)現(xiàn)柔性制造系統(tǒng)內(nèi)的刀具活動(dòng)的管理，保證加工中心在正確的時(shí)間得到正確的刀具，完成對(duì)加工中心刀具的需求與供給，運(yùn)用適當(dāng)?shù)牟呗詫?shí)現(xiàn)刀具的合理選擇、調(diào)度以及刀具運(yùn)送指令的下達(dá)和刀具剩余壽命的計(jì)算。

2.1.5 系統(tǒng)信息管理模塊主要完成缺刀檢查，刀具入庫(kù)管理（包括新刀入庫(kù)和從柔性自動(dòng)線上返回的刀具入庫(kù)），刀具出庫(kù)管理，磨損、破損刀具的管理以及數(shù)據(jù)庫(kù)管理。

2.1.6 系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控模塊主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)刀具、設(shè)備故障的監(jiān)控以及為刀具管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)管理提供必要的資源狀況信息。這 6 個(gè)程序塊是系統(tǒng)的主要組成部分，它們按照一定的邏輯順序相互調(diào)用，使系統(tǒng)具有完善、合理的刀具管理功能，同時(shí)又是結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立的子程序模塊，子程序間通過(guò)數(shù)據(jù)傳遞而相互聯(lián)系。

2.2 外數(shù)據(jù)庫(kù)文件

2.2.1 刀具文件、存放所有刀具的主要參數(shù)，每 1 把刀具的參數(shù)作為 1 個(gè)記錄。

2.2.2 機(jī)床文件

存放機(jī)床的主要參數(shù)，一種型號(hào)的機(jī)床參數(shù)作為 1 個(gè)記錄。

2.2.3 工藝數(shù)據(jù)文件

存放各種與加工有關(guān)的工藝數(shù)據(jù)，一種加工方法的數(shù)據(jù)作為 1 個(gè)記錄。

2.2.4 切削條件系數(shù)文件

存放決定切削條件的各種系數(shù)。

2.2.5 磨損、破損刀具文件

存放磨損、破損刀具的主要參數(shù)，每 1 把刀具的參數(shù)作為 1 個(gè)記錄。

3 刀具磨損和破損的在線檢測(cè)

    刀具磨損和破損在線檢測(cè)的方法很多，主要有功率檢測(cè)、聲發(fā)射檢測(cè)、學(xué)習(xí)模式、力檢測(cè)等。在此介紹一種利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)柔性制造系統(tǒng)中的刀具的檢測(cè)方法。

3.1 刀具負(fù)載模型的建立

    切削加工過(guò)程中刀具所受的負(fù)載與很多因素有關(guān)，根據(jù)在線檢測(cè)的要求，僅考慮幾個(gè)較大的影響因素，即主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、切削深度、加工材料的切削性能 4 個(gè)因素，則刀具負(fù)載的模型為

F = f (s, v, h,m)

式中：

F —負(fù)載向量；

h —切削深度；

s —主軸轉(zhuǎn)速；

m —材料的切削性能；

v —進(jìn)給量。

    很明顯，上式僅能說(shuō)明負(fù)載與各個(gè)影響因素有關(guān)，可以用微分幾何的數(shù)學(xué)方法或?qū)嶒?yàn)的方法建立相應(yīng)的關(guān)系式，但應(yīng)用于在線檢測(cè)效果并不理想。在此，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)處理該刀具的負(fù)載模型。

3.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

    本刀具負(fù)載自適應(yīng)控制的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用3層的BP 結(jié)構(gòu)。根據(jù)上面的分析，顯然輸入層有4個(gè)節(jié)點(diǎn)，輸出層有3 個(gè)節(jié)點(diǎn)，即負(fù)載在XYZ 方向的大小�？紤]到本負(fù)載自適應(yīng)控制系統(tǒng)的特性，可以認(rèn)為負(fù)載是進(jìn)給速度的連續(xù)函數(shù)，根據(jù)Kolmogorov定理，中間隱層的節(jié)點(diǎn)數(shù)應(yīng)為2 倍的輸入點(diǎn)數(shù)再加1。因此，本神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為輸入層4 個(gè)節(jié)點(diǎn)，中間層9 個(gè)節(jié)點(diǎn)，輸出層3 個(gè)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)上面的分析，采取每個(gè)節(jié)點(diǎn)給定4 個(gè)值，以它們的不同組合作為樣本輸入數(shù)據(jù)，這樣可得256 個(gè)樣本。具體做法是：將各個(gè)輸入量在可能的變化范圍內(nèi)大體分為4 等份，并用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)出在每種輸入情況下的負(fù)載值。在得到256 個(gè)樣本后，采用離線進(jìn)行學(xué)習(xí)，得出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的權(quán)值，這樣經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就建立了相應(yīng)的刀具負(fù)載模型，為刀具的在線檢測(cè)提供條件。

3.3 刀具在線檢測(cè)原理

    首先測(cè)出刀具的切削深度和進(jìn)給量，連同主軸轉(zhuǎn)速和加工材料的類型一起輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器。由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器進(jìn)行負(fù)載計(jì)算，得出的負(fù)載輸入至檢測(cè)器。檢測(cè)器輸出的結(jié)果與輸入信號(hào)進(jìn)行比較，若該負(fù)載超過(guò)刀具的疲勞條件下的裂紋擴(kuò)展負(fù)載，則減小刀具的進(jìn)給速度，并將進(jìn)給速度的減小量反饋到CNC 控制器，使CNC 控制器做出相應(yīng)的控制，以使得負(fù)載的大小改變到安全的水平。

4 結(jié)論

    在柔性制造系統(tǒng)中，一個(gè)好的刀具管理系統(tǒng)和在線檢測(cè)技術(shù)，不僅能提高加工生產(chǎn)率、降低勞動(dòng)成本，而且對(duì)于產(chǎn)品優(yōu)化組合、減少故障率都會(huì)起到非常關(guān)鍵的作用。