“首先晃酒，航空航天材料的加工非常困難角涯，”Caron Engineering公司創(chuàng)始人和總裁Rob Caron表示需天。他講述了機加工在生產(chǎn)加工航空零件時會碰到的困難痢玖。對于引擎部件光稽，其材料可能是硬質(zhì)且難于加工的合金：鈦、蒙乃爾合金氨案、哈氏合金或鉻鎳鐵合金也拳，當然還有其他各種材料。

飛機標準非常嚴苛锻刺，許多航空航天的零件必須從在一個硬質(zhì)材料上進行整體加工绝迁，保證材料最大程度的完整性同時幫助飛機升空。這意味著銑削車床可能需要上拱金屬負荷懂版，降低至凈形并最后得到最終部件鹃栽。

因為材料非常堅硬，刀具的功能會隨著切削逐漸退化：“刀具的加工能力在切削過程慢慢會減弱躯畴∶窆模”Caron先生稱，“因為材料切除和刀具功能的弱化蓬抄，從用戶的角度糾正進給速率非常困難丰嘉。”這甚至還未考慮材料各部分之間的天然硬度差異嚷缭。當然饮亏，如果下一塊材料同前一塊材料之間存在屬性差異，那么這些進給速率可能不會重復(fù)峭状。

對于許多航空航天的機加工而言克滴，解決方案就是讓步。對于進給和速度，應(yīng)謹慎行事劝赔。操作人員將假設(shè)出最差的加工環(huán)境誓焦，并對工具進行編程，降低穿過材料的速度诸痢。

原因非常簡單怕猖，Caron先生說：“太多的因素需要考慮，且材料成本非常高斜回，因此刀具退化可能會導(dǎo)致昂貴的零件被浪費簇寻，因為他們會采用這種保守的方法避免這種情況〉史。”這時市通，Caron Engineering公司的自適應(yīng)控制技術(shù)就顯示出了自己的優(yōu)勢。

自適應(yīng)控制技術(shù)的工作原理

Caron Engineering公司的TMAC MP(刀具監(jiān)控和多工藝監(jiān)控自適應(yīng)控制系統(tǒng))的目的是精準地解決上述難題哗励。TMAC系統(tǒng)包括多個傳感器苫瘾、一個通信中央處理器和一臺多范圍功率變送器，可以“學(xué)習”刀具的最優(yōu)功率負荷界橱，實現(xiàn)進給速率的自適應(yīng)控制湃彻。

圖1 Caron Engineering公司的TMAC MP首先是一套刀具監(jiān)控系統(tǒng)，包括安裝在機床上的多個傳感器以及一個顯示主軸和刀具數(shù)據(jù)的獨立處理器丛君。但是短酵，通過搭配一個功率變送器，使得TMAC能夠超馳刀具的進給速率以及進行自適應(yīng)控制優(yōu)化切削修噪，這一功能特別適用于上拱難于加工的航空合金

前提非常簡單查库。如上所述，機加工在上拱堅硬的航空航天合金材料時在速度和進給方面往往會采用傳統(tǒng)方式割按。刀具慢速按照恒定進給速率穿過金屬膨报，隨著刀具穿過加工難度不同的材料部件部分，主軸傳動機構(gòu)的功率負荷會升高和降低适荣。除了缺乏效率之外现柠，在某種意義，如果用戶不注意弛矛，這種功率抬升會造成刀具破裂問題够吩。

為避免這種情況的出現(xiàn)，TMAC連接了數(shù)控系統(tǒng)對整個切削過程進行進給速率超馳丈氓。在機床使用新刀具切削零件時采用“學(xué)習模式”監(jiān)控主軸功率周循，該系統(tǒng)可以建立峰值和最優(yōu)功率負荷目標，同時可以自動調(diào)整進給速率万俗，保持負荷穩(wěn)定湾笛。

刀具在切削過程中隨材料條件的變化進行加速或減速梭唆，圖中所示為刀具如何展現(xiàn)在TMAC MP系統(tǒng)屏幕上。圖1所示為示例切削的過程：白線為隨時間變化的實際切削功率負荷蟋真，以馬力為單位踱陡，基于左側(cè)Y軸進行測量;紫線為實時進給調(diào)整。在加工難度較低的切削部位功率負荷下降酷它，進給速率提高荸跃。刀具進入較硬的切削部位時，功率負荷上升悦阿，進給速率下降柄露。

機床學(xué)習流程讓TMAC系統(tǒng)可以為功率負荷預(yù)先設(shè)定目標上限(綠色直線所示)，同時為進給速率設(shè)定下限(橙色線)丝板，低于該值時系統(tǒng)會知道刀具磨損必須更換窒汤，因為隨著刀具功能的減弱切削需要增加功率(圖2)。

圖2 該TMAC MP用戶界面圖片展示了一種帶有自適應(yīng)控制功能的典型銑削切削肄高。白線為隨著時間推移切削的實際功率負荷盘瞧，采用馬力為單位。功率負荷的上升或下降取決于切削條件柒浙。紫線為進給速率，TMAC可以進行實時自動調(diào)整章姓，維持恒定的功率負荷同時最大化切削時間佳遣。在這種模式下，彩色直線為（從上到下）最高功率上限（紅色）凡伊，達到該上限時系統(tǒng)將立即停止主軸并收回刀具零渐；學(xué)習最優(yōu)功率（綠色）；最低進給速率系忙，顯示刀具磨損（黃色）情況诵盼，低于該值時TMAC將結(jié)束切削然后發(fā)出刀具更換信號；以及進給速率最低限值（橙色）银还。用戶可以放大或縮小上述比例尺進行功率分析风宁，功率可以采用馬力或千瓦為單位進行測量

此外，因為該系統(tǒng)接入了數(shù)控系統(tǒng)蛹疯，可以將進給速率降至零并且發(fā)出信號自動換刀戒财。這基本上可以避免出現(xiàn)刀具破裂情況。同通常情況下刀具持續(xù)進給直至無法繼續(xù)切削不同捺弦，隨著刀具鈍化需要更高功率饮寞，自適應(yīng)控制的監(jiān)控功能會逐漸降低進給速率，并且通常將至少完成切削脂槽。

Caron Engineering公司認為拜岂，自適應(yīng)控制的整體好處是能夠更積極更高效地切削硬質(zhì)航空航天金屬材料，減少氣割并節(jié)約時間。根據(jù)公司的說法庵偏，循環(huán)時間節(jié)約可以達到20%～60%轻江。據(jù)稱，自適應(yīng)控制特別適用于飛機引擎部件的生產(chǎn)烧锋，如上拱葉盤廉旅、加工整體轉(zhuǎn)子，這時焊縫周圍的金屬可能非常堅硬密梯。

算法提供的時間節(jié)約

對于所有這些優(yōu)勢桌苔，Caron發(fā)現(xiàn)在特定情況下會出現(xiàn)一種復(fù)雜的問題，即上拱工藝安影，在這種工藝中腻喇，硬質(zhì)航空航天材料需使用大直徑刀具進行低速切削(低于1000?rpm)「囹荆“如果加工鋁合金材料瓢谢，那么可以采用10?000?rpm的轉(zhuǎn)速，這沒有問題驮瞧，用戶可以加工想要的任何數(shù)量氓扛。”Caron先生稱论笔，“但是如果加工鈦金屬采郎，材料特性不允許刀具采用這么高的切削速度】衲В”

在這種情況下蒜埋，TMAC系統(tǒng)的靈敏性就會成為問題，因為在這么低的切削速度下(有時候會低至200或300?rpm)最楷，因為刀齒切入材料時的阻力整份，會導(dǎo)致系統(tǒng)功率提高。這會導(dǎo)致線條呈現(xiàn)出奇怪的鋸齒形狀籽孙，許多功率振蕩會呈現(xiàn)出齒狀形狀烈评。圖3所示為使用一種五齒套式銑刀進行的這種切削的示例，切削時間約為56?s蚯撩。如果采用傳統(tǒng)的自適應(yīng)控制方式密巷，TMAC系統(tǒng)的進給速率調(diào)整將結(jié)束每次微幅功率抬升的反應(yīng)，這會影響效率饲悟。

圖3 這種低轉(zhuǎn)速切削方式是一種典型的難于加工的材料的上拱應(yīng)用形式循贝，比如鈦或鉻鎳鐵合金。每個小“鋸齒”形狀反映了切削過程中套式銑刀5個出屑槽的切入材料導(dǎo)致的功率抬升根朱。TMAC的“固定限值”模式尉利，即主軸功率保持處于或低于綠線所反映的最優(yōu)學(xué)習水平可丝。如圖中右側(cè)底部所示，總切削時間約56?s

TMAC系統(tǒng)的最新創(chuàng)新Caron先生將其稱之為“鋸齒算法”汤顷，這是一種先進的自適應(yīng)控制方式氓愿，通過學(xué)習各刀具的“刀齒通過頻率”解決這一問題。通過計算各刀齒通過材料時的準確功率振蕩以及針對特定旋轉(zhuǎn)平均分配所有出屑槽的功率递促，自適應(yīng)控制可以對整個刀具而非單個刀齒的切削動作做出反應(yīng)咪轩。

物聯(lián)網(wǎng)成為先機

TMAC MP系統(tǒng)首先是一個機床監(jiān)控器，該系統(tǒng)擁有獨立的處理器并且采用Caron公司的自有傳感器套件送魁，這讓該系統(tǒng)可以用于傳統(tǒng)機床;但是在自適應(yīng)控制功能方面存在局限性涉粘，因為該系統(tǒng)需要一套數(shù)控系統(tǒng)使TMAC對進給速率進行超馳。盡管如此笨奠，該系統(tǒng)可以測定主軸電機高功率(自適應(yīng)控制使用的主要指標)袭蝗、振動、應(yīng)變般婆、冷卻劑壓力到腥、冷卻劑流量和主軸速度，借此監(jiān)控刀具壽命蔚袍、工件消耗乡范、軸承健康度和實際切削時間。

雖然該產(chǎn)品已經(jīng)推向市場超過30年啤咽，但該公司似乎發(fā)現(xiàn)自己在某些時候在串聯(lián)生產(chǎn)區(qū)和收集數(shù)據(jù)方面仍然具有競爭力篓足。實際上，Caron的傳感器可以收集大量數(shù)據(jù)用于工藝診斷闰蚕、系統(tǒng)整合和高級分析。同Caron公司的其他監(jiān)控產(chǎn)品一樣连舍，TMAC系統(tǒng)同樣符合MTConnect標準没陡。

“我們在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)這個詞流行之前基本上就已經(jīng)是一家工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品生產(chǎn)廠商了，因為我們采集數(shù)據(jù)并提供給所有人审亿『秆”Caron稱。

TMAC可以利用所有傳感器對正常作業(yè)的機床中的異常做出反應(yīng)最咖，這些傳感器可以向用戶發(fā)出消息并進行警告沈跷。這種功能提供的最大機遇是無人作業(yè)，因為通過TMAC系統(tǒng)自動監(jiān)控功率碑甘、實時調(diào)整以及通知用戶換刀(或訂購自動刀具進行更換)亮铛，機床附近將不需要安排人員。

“曾經(jīng)有一位用戶遇到過從每臺機床需要一位操作人員變?yōu)橐晃徊僮魅藛T負責7臺機床的裝料的情況销顷∈茏洌”Caron先生表示光拥。很明顯，為配備了TMAC系統(tǒng)和自適應(yīng)控制的生產(chǎn)單元加裝裝卸機器讓機床可以在完全無人監(jiān)督的情況下加工難以加工的工件筋蝴。

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