T-SCGS 317003-2023 數(shù)控加工刀具狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集規(guī)范

ICS01.100.01CCSJ04團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/SCGS317003—2023數(shù)控加工刀具狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集規(guī)范DataacquisitionspecificationsofNCmachiningtoolconditionmonitoring2023-12-23發(fā)布2023-12-24實施中國標(biāo)準(zhǔn)出版社ⅠT/SCGS317003—2023前言 Ⅲ引言 Ⅳ1范圍 12規(guī)范性引用文件 13術(shù)語和定義 14數(shù)據(jù)采集內(nèi)容分類 14.1數(shù)據(jù)采集分類 14.2數(shù)據(jù)采集內(nèi)容 15數(shù)據(jù)采集方法 25.1監(jiān)測信號數(shù)據(jù)采集方法 25.2標(biāo)簽數(shù)據(jù)采集方法 26數(shù)據(jù)采集過程和要求 26.1監(jiān)測信號采集流程和要求 26.2標(biāo)簽信號采集流程和要求 37應(yīng)用示例 5附錄A(資料性)刀具狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集實例 6附錄B(資料性)標(biāo)簽數(shù)據(jù)采集 8參考文獻(xiàn) 10ⅢT/SCGS317003—2023本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分:標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。本文件由南京航空航天大學(xué)提出。本文件由中國圖學(xué)學(xué)會歸口。本文件起草單位:南京航空航天大學(xué)、成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司、雁棲湖基礎(chǔ)制造技術(shù)研究院(北京)有限公司。ⅣT/SCGS317003—2023引言為滿足新一代裝備的性能需求,零件必須具備高精度、高強(qiáng)度、高性能的特點(diǎn),而數(shù)控加工作為制造領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù),在制造中占據(jù)主導(dǎo)地位。加工過程的狀態(tài)預(yù)測是實現(xiàn)智能數(shù)控加工的關(guān)鍵,對刀具進(jìn)行精確預(yù)測,可以有效地提高加工質(zhì)量和效率,降低加工成本。刀具磨損過程異常復(fù)雜,基于數(shù)據(jù)驅(qū)動是預(yù)測刀具狀態(tài)的有效方法,本文件提出了反應(yīng)刀具狀態(tài)信號的種類、采集流程、監(jiān)測信號去噪方法及刀具狀態(tài)檢測方法。本文件指導(dǎo)加工系統(tǒng)采集,為刀具狀態(tài)預(yù)測提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。高質(zhì)量的監(jiān)測數(shù)據(jù)是精確預(yù)測刀具狀態(tài)的前提,本文件指導(dǎo)監(jiān)測信號采集流程、數(shù)據(jù)處理及刀具檢測,為刀具狀態(tài)預(yù)測提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)提請注意,聲明符合本文件時,可能涉及到專利(CN201710971614.8)“一種面向自適應(yīng)加工的幾何信息-工藝信息-監(jiān)測信息關(guān)聯(lián)方法”相關(guān)的專利的使用。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)對于該專利的真實性、有效性和范圍無任何立場。該專利持有人已向本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)承諾,他愿意同任何申請人在合理且無歧視的條款和條件下,就專利授權(quán)許可進(jìn)行談判。該專利持有人的聲明已在本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)備案。相關(guān)信息可以通過以下聯(lián)系方式獲得:地址:江蘇省南京市秦淮區(qū)御道街29號南京航空航天大學(xué)明故宮校區(qū)請注意除上述專利外,本文件的某些內(nèi)容仍可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識別專利的責(zé)任。1T/SCGS317003—2023數(shù)控加工刀具狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集規(guī)范1范圍本文件規(guī)定了數(shù)控加工過程中刀具狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集的內(nèi)容分類、方法流程、要求、及實施要求。本文件適用于數(shù)控加工過程中刀具狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)采集。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中,注日期的引用文件,僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T2298—2010機(jī)械振動、沖擊與狀態(tài)監(jiān)測詞匯GB/T32335—2015機(jī)械振動與沖擊振動數(shù)據(jù)采集的參數(shù)規(guī)定GB/T33863.8—2017OPC統(tǒng)一架構(gòu)第8部分:數(shù)據(jù)訪問3術(shù)語和定義GB/T32335、GB/T33863.8界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。刀具劣化形式toolfailuremode3.2采樣頻率samplingfrequency單位時間內(nèi)從連續(xù)信號中提取并組成離散信號的采樣個數(shù)。3.3計算機(jī)數(shù)字控制computernetworkcontrol;CNC由計算機(jī)完成數(shù)值計算,并直接發(fā)出控制指令參與控制過程。3.4控制系統(tǒng)工業(yè)接口標(biāo)準(zhǔn)oleforprocesscontrol;OPC針對現(xiàn)場控制系統(tǒng)的一個工業(yè)接口標(biāo)準(zhǔn)。4數(shù)據(jù)采集內(nèi)容分類4.1數(shù)據(jù)采集分類數(shù)據(jù)采集按采集對象分為:a)監(jiān)測信號數(shù)據(jù);b)標(biāo)簽數(shù)據(jù)。4.2數(shù)據(jù)采集內(nèi)容4.2.1監(jiān)測信號數(shù)據(jù)包括機(jī)床主軸信號、外接傳感器信號。2T/SCGS317003—20234.2.2標(biāo)簽數(shù)據(jù)為刀具狀態(tài)。5數(shù)據(jù)采集方法5.1監(jiān)測信號數(shù)據(jù)采集方法通過與數(shù)控系統(tǒng)通信、外接傳感器等方法獲取不同監(jiān)測信號。5.2標(biāo)簽數(shù)據(jù)采集方法通過顯微鏡檢測刀具切削區(qū)域的狀況。6數(shù)據(jù)采集過程和要求數(shù)控加工刀具狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集的內(nèi)容包括但不限于:a)機(jī)床內(nèi)部傳感器信號機(jī)床內(nèi)部的機(jī)床主軸電流、功率及伺服電機(jī)信號反映刀具狀態(tài)。b)外接傳感器信號常用的外接傳感器信號包括切削力、振動、聲發(fā)射等。6.1監(jiān)測信號采集流程和要求流程由布置傳感器、信號同步關(guān)聯(lián)、信號去噪等組成,見圖1。圖1監(jiān)測信號采集流程圖6.1.2監(jiān)測信號采集要求6.1.2.1分析任務(wù)確定監(jiān)測信號類型根據(jù)任務(wù)目的及實際條件選擇采集信號的類型,采集的數(shù)據(jù)既能實現(xiàn)后續(xù)目的,又在當(dāng)前場景下可行。6.1.2.2布置傳感器獲取監(jiān)測信號試驗要求如下:3T/SCGS317003—2023a)監(jiān)測設(shè)備布置的過程中要保證設(shè)備布置有序、不影響加工。b)測力刀柄易受噪聲影響,測力刀柄信號接收器與測力刀柄應(yīng)距離近、遮擋少。c)確保相應(yīng)傳感器緊貼工件。6.1.2.3信號同步關(guān)聯(lián)信號采集過程中應(yīng)采用統(tǒng)一的信號采集模塊,使用同步脈沖信號控制各信號采樣時間起點(diǎn),確保所有信號的起點(diǎn)時間一致?？刂聘餍盘柾讲杉?以時間為錨點(diǎn),實現(xiàn)不同頻率信號的關(guān)聯(lián)匹配。實際采集過程按照GB/T33863.8—2017。6.1.2.4設(shè)置采樣頻率信號的采樣頻率滿足如下要求:外接傳感器的采樣頻率根據(jù)刀具每齒實際切削頻率和采集頻率放大系數(shù)決定,每齒切削頻率由機(jī)床實際轉(zhuǎn)速與刀具齒數(shù)計算,采集頻率放大系數(shù)根據(jù)采樣定理宜選取范圍為2.56~4,如式(1)所示:f>n/60×z×k……(1)式中:f—采樣頻率,單位為赫茲(Hz);n—機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速,單位為轉(zhuǎn)每分(r/min);z—刀具齒數(shù),單位為個;k—采集頻率放大系數(shù)。振動信號按照GB/T2298—2010,信號采集過程按照GB/T32335—2015。通過與機(jī)床建立OPC通信,采集機(jī)床主軸電流/功率/扭矩信號的采樣頻率,應(yīng)根據(jù)機(jī)床實際采樣頻率調(diào)整。6.1.2.5信號去噪原始信號預(yù)處理應(yīng)按如下步驟執(zhí)行。a)缺失值處理:刪除缺失值所在部分,在缺失值處進(jìn)行插值處理。b)異常值處理:搜尋并定位疑似異常值,通過與附近的極值對比進(jìn)行判別,刪除異常值所在部分,在異常值處進(jìn)行插值處理。c)信號漂移處理:通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行去趨勢處理濾除零點(diǎn)漂移,即對數(shù)據(jù)減去1條最優(yōu)的擬合曲線,去趨勢后的數(shù)據(jù)均值應(yīng)為零。d)切削過程信號截取:根據(jù)刀位點(diǎn)判斷刀具切入、切出時刻,并截取切削過程信號。6.2標(biāo)簽信號采集流程和要求6.2.1流程流程由準(zhǔn)備檢測系統(tǒng)、確定檢測區(qū)域、刀具對焦及檢測刀具狀況等組成,見圖2。4T/SCGS317003—2023圖2標(biāo)簽信號采集流程圖6.2.2檢測刀具狀態(tài)要求6.2.2.1獲取標(biāo)簽試驗要求獲取標(biāo)簽試驗要求如下:a)檢測過程中應(yīng)尋找合適的刀刃識別標(biāo)志,檢測所有刀刃;b)當(dāng)顯微鏡放大倍數(shù)較大時,顯微鏡的視野較小,確保刀具劣化最為嚴(yán)重的區(qū)域在視野范圍內(nèi);c)刀具劣化嚴(yán)重區(qū)域要準(zhǔn)確對焦;d)常見的刀具劣化形式包括:刀具磨損、微崩、崩刃,應(yīng)檢測各種形式的劣化;e)人為因素影響檢測精度,要對同一目標(biāo)進(jìn)行多次檢測,取平均值為檢測結(jié)果;f)檢測過程中應(yīng)去除刀具表面附著的切屑及油污。6.2.2.2準(zhǔn)備檢測系統(tǒng)刀具狀況檢測方式包括刀具在線檢測、離線檢測等方式:a)刀具在線檢測:將檢測系統(tǒng)安裝到機(jī)床工作臺,以刀具在線的方式檢測;b)刀具離線檢測:將刀具從機(jī)床取下,放置于顯微鏡檢測刀具狀況。圖3刀具在線檢測系統(tǒng)示意圖5T/SCGS317003—20236.2.2.3確定檢測區(qū)域檢測切削區(qū)域內(nèi)的刀具狀況,一般為刀具切削深度內(nèi)區(qū)域。6.2.2.4刀具對焦刀具對焦應(yīng)滿足如下要求:a)檢測刀具狀況時,機(jī)床暫停加工,將檢測系統(tǒng)安置于工作臺,對焦第1個刀刃的切削區(qū)域;b)檢測第1個刀刃后旋轉(zhuǎn)刀具,再檢測其他刀刃。6.2.2.5檢測刀具狀態(tài)檢測刀具狀態(tài)需滿足如下要求:a)加工前檢測切削刃原始寬度;b)加工過程中刀具切削刃原始邊界消失,刀具劣化程度計算方法見附錄A中A.2。7應(yīng)用示例刀具狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集示例見附錄B。6T/SCGS317003—2023附錄A(資料性)標(biāo)簽數(shù)據(jù)采集A.1刀具劣化形式切削過程中,刀具切削部分壓力大、溫度高,劣化形式復(fù)雜,常見的劣化形式包括:側(cè)面磨損、凹槽磨損、裂紋、刃邊微崩、破損。檢測刀具過程中需要識別刀具的劣化形式并且分別進(jìn)行測量,以上的幾種刀具磨損形式如圖A.1所示。a)側(cè)面磨損a)側(cè)面磨損b)凹槽磨損c)刃邊微崩d)崩刃e)裂紋圖A.15種常見刀具劣化形式A.2刀具檢測實驗過程中應(yīng)根據(jù)刀具、工件材料、加工參數(shù)等因素設(shè)置刀具檢測頻率。以下以刀具磨損為例,展示劣化程度的檢測方式。一般的刀具(微銑刀除外)精加工過程中,處于初期磨損階段時刀具磨損量為0mm~0.1mm,正常磨損階段為0.1mm~0.3mm,磨損量達(dá)到0.3mm刀具報廢,刀具壽命試驗參照GB/T16459—2016、GB/T16460—2016。具體的刀具磨損判別標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)刀具、加工任務(wù)的要求靈活設(shè)置。對焦后完成后通過顯微鏡對刀具進(jìn)行拍攝,測量刀具磨損量。為減少人為因素對測量精度的影響,對每個刃均測量3次,并將3次測量的平均值作為刀具磨損量。隨著加工的進(jìn)行刀具原始切削刃消失,此時依然將刀具磨損帶寬度作為刀具磨損量將會帶來不可預(yù)估的誤差,因此,需要測量刀具后刀面7T/SCGS317003—2023未磨損帶寬度,通過未磨損帶寬度計算刀具磨損量,見式(A.1)。VBmax=Wf-Wmin……(A.1)式中:VBmax—需要測量的后刀面最大磨損寬度,單位為毫米(mm);Wf—后刀面原始寬度,單位為毫米(mm);Wmin—切削深度內(nèi)后刀面最窄寬度值,單位為毫米(mm)。8T/SCGS317003—2023附錄B(資料性)刀具狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集示例B.1傳感器布置為使獲取的監(jiān)測信號有效反映加工狀態(tài),應(yīng)合理布置傳感器。加工過程中采用兩向加速度傳感器監(jiān)測振動信號,刀具磨損引發(fā)的振動更多體現(xiàn)在工件上,為在后續(xù)的預(yù)測刀具狀態(tài)過程中排除工件幾何影響,分別在工件的X、Y兩側(cè)設(shè)置傳感器。切削力有兩種監(jiān)測方式,采用測力刀柄如圖A.1a)所示,采用測力儀如圖B.1b)所示。其他傳感器的布置方式參照上述原則。a)測力刀柄獲取切削力b)測力儀獲取切削力圖B.1不同傳感器布置方式B.2多源異構(gòu)數(shù)據(jù)同步關(guān)聯(lián)加工過程中的采集數(shù)據(jù)包括機(jī)床內(nèi)部信號、外置傳感器信號。首先,基于RTSI總線和OPC通信協(xié)議分別實現(xiàn)機(jī)床內(nèi)部信號及外置傳感器信號的同步采集,然后,通過共享觸發(fā)和時鐘的方式將兩者融合到系統(tǒng)框架中,實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的同步采集。本方法采用不同的LabVIEW工具包進(jìn)行統(tǒng)一的圖形化編程,實現(xiàn)數(shù)控加工過程數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測與采集的可視化,降低了程序開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn),簡化了硬件連接步驟,便于實現(xiàn)信號采集。系統(tǒng)支持的測量和設(shè)備提供了多種數(shù)據(jù)采集模塊。在LabVIEW編程環(huán)