CN101434045B - 一种数控机床电机电流与切削负荷关系标定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数控机床电机电流-切削负荷关系标定装置，它包括磁流变旋转阻尼器、磁流变阻尼器控制器、数据采集卡、标定处理器、霍尔传感器、联轴器、模拟刀具、滑块、齿条、支架。磁流变阻尼器通过齿轮、齿条、模拟刀具或者联轴器与机床主轴相连，机床主运动或进给运动转化为磁流变阻尼器轴的转动。根据不同控制参量得到模拟切削负荷大小，实时检测电流数据送入标定处理器进行记录和处理，实现机床电机电流和切削负荷之间的关系的标定。本装置广泛适用于在生产车间条件下进行数控机床的标定，响应速度极快，精度高，环境适应性强，噪声小，无污染。

Description

一种数控机床电机电流与切削负荷关系标定装置

技术领域

本发明涉及数控机床标定测量技术，具体为一种基于磁流变阻尼器的数控机床电机电流与切削负荷关系标定装置，该装置在广义上是一种提供模拟负载的装置，适用于任何需要提供负载的场合，用于标定数控机床电机电流和切削负荷关系时则是一种用于数控装备开发的标定测量工具。

背景技术

数控装备的重要特征就是加工的高速度与高精度。加工速度和精度是数控设备最重要的性能指标，追求高速度和高精度始终是推动数控技术发展的动力之一。

目前，全世界数控机床及其它数控设备的生产量与日俱增。早期的数控装备以及现在的一些中低档数控装备多为开环和半闭环控制，加工速度和精度范围有限。实际加工过程是复杂多变的，在机床-刀具-工件组成的系统上进行切削加工是一个动态过程，有许多因素和参数，如材料的硬度不均匀、刀具磨损、刀刃积屑瘤、受力变形等将使切削过程不能处于最佳状态。为了保证生产安全和避免加工故障，编程人员往往按照最坏的极端情况(实际很少发生)选取保守不变的加工参数，而数控系统是按照特定的指令来进行加工的，这样就影响到了数控加工的效率。而如果在切削过程中，能根据随时变化的实际切削条件及时修正切削用量，就有可能获得最好的加工效果。机床的自适应控制就是为解决这一问题而在20世纪60年代出现的一种数控机床控制技术。

在自适应控制中，系统实时检测各种加工状态参数，比如切削力、刀具磨损、切削温度等，根据实时工况的改变而自动选择合适的加工参数。这大大提高了数控装备的加工速度和精度。

切削力作为判断切削加工过程状态的主要指标之一，通过对切削力的检测，能了解切削状态、机床运行状况、判断切削用量是否合理，避免因零件材质和毛坯加工余量不均匀造成刀具磨损、工件报废、机床损坏等事故，提高生产效率，降低生产成本，因此，在数控加工过程中对切削力进行实时检测是十分必要的。在实际生产过程中，直接检测切削负荷的大小存在很大困难，而由于电机电流与切削负荷存在一定对应关系，可以通过检测电机电流来间接达到检测切削力大小的目的。因此，标定机床电机电流和切削负荷之间的关系就成为自适应控制的重要研究内容。

目前，生产中主要通过实物试切来标定电机电流和切削负荷的关系。研究人员根据加工经验对材料进行切削，通过不断调整切削参数，来得到两者间的对应关系。这种标定机床电机电流和切削负荷之间关系的方法灵活性和适应性比较差，而且人力物力消耗比较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种数控机床电机电流与切削负荷关系标定装置，该装置可以方便地标定数控机床进给电机与切削抗力以及主轴电机与切削扭矩的关系。

本发明提供的数控机床电机电流与切削负荷关系标定装置，其特征在于：它包括磁流变旋转阻尼器、支架箱盖、支架箱体、阻尼器控制器、标定处理器、数据采集卡、霍尔电流传感器和和标定组件；

支架箱盖固定在支架箱体上，磁流变旋转阻尼器固定在支架箱盖上，标定组件与磁流变旋转阻尼器的伸出轴连接；阻尼器控制器与磁流变旋转阻尼器相连，阻尼器控制器和霍尔电流传感器均通过数据采集卡与标定处理器相连；

标定组件包括抗力标定组件和扭矩标定组件；

抗力标定组件包括模拟刀具、齿条、齿轮和滑块；在进给电机电流-切削抗力关系标定时，模拟刀具与机床主轴刀柄相连，齿轮安装在磁流变旋转阻尼器的伸出轴端，滑块固定在支架箱盖上，齿条安装在滑块上；

扭矩标定组件包括上半联轴器和下半联轴器，在主轴电机电流-切削扭矩关系标定时，上半联轴器与机床主轴相连，下半联轴器安装在磁流变旋转阻尼器的伸出轴端，上半联轴器安装在下半联轴器上；

霍尔电流传感器采集电机电流信号，通过数据采集卡提供给标定处理器；标定处理器对采集电机的电流信号进行处理，根据采集的电机电流有效值的大小提供阻尼器控制器的输出电流大小的控制信号。

在实际切削过程中，由于测力仪体积较大，安装不便，在工作台上安装测力仪实时检测切削负荷并通过反馈用于恒负荷控制的方法几乎不可能实现。而由于机床切削负荷与机床电机电流大小存在一定的关系，所以可以考虑实时检测电机电流大小来判定切削负荷的大小，实现基于恒负荷的自适应控制。但是基于电机电流的恒负荷自适应控制需要事先得知电机电流与切削负荷的关系，本发明的作用就是用于机床电机电流和切削负荷关系的标定。

本发明在使用时，首先标定自身控制参量(即磁流变阻尼器控制电压和机床速度)和输出参量(即模拟切削负荷)之间关系，建立自身关系数据库，再通过设定不同控制参量，查找自身关系数据库得知提供的模拟切削负荷的大小，并采用霍尔电流传感器监测进给伺服电机电流变化，标定出机床切削负荷和电机电流的关系，并建立机床电机电流-切削负荷关系数据库，从而间接实现加工过程中的切削负荷与电机电流关系的标定，为通过控制进给电机电流实现切削力的恒定控制提供条件。总之，本发明装置结构紧凑，精度高，响应快，使用方便，适合于在生产车间条件下用来进行切削负荷的标定，是一种普及型的标定工具。

附图说明

图1为本发明用于标定进给电机电流-切削抗力关系时自身标定原理图(工作方式标定时去除测力仪)原理图；

图2为本发明用于标定主轴电机电流-切削扭矩关系时自身标定原理图(工作方式标定时去除测力仪)原理图；

图3为本发明用于进给电机电流-进给抗力关系标定时机械结构示意图；

图4为本发明用于主轴电机电流-切削扭矩关系标定时机械结构示意图；

图5为本发明用于主轴电机电流-切削扭矩标定时的下半联轴器；

图6为本发明用于主轴电机电流-切削扭矩标定时的上半联轴器；

图7为本发明装置自身标定原理示意图；

图8为本发明装置工作方式标定示意图；

图9为本发明装置标定处理器的工作流程图。

具体实施方式

本发明是一种基于磁流变原理的数控机床电机电流和切削负荷关系标定装置，用于机床进给电机电流-切削抗力关系以及主轴电机电流-切削扭矩关系标定，下面结合附图对各部分作详细说明。

如图1，2，3，4所示，本发明提出的机床电机电流-切削负荷关系标定装置包括磁流变旋转阻尼器3、支架箱盖6、支架箱体7、阻尼器控制器10、标定处理器11、数据采集卡12、霍尔电流传感器13和标定组件。磁流变旋转阻尼器3通过螺钉固定在支架箱盖6上，支架箱盖6通过螺钉固定在支架箱体7上，标定组件与磁流变旋转阻尼器3的伸出轴端连接。阻尼器控制器10与磁流变旋转阻尼器3相连，阻尼器控制器10和霍尔电流传感器13均通过数据采集卡12与标定处理器11相连。霍尔电流传感器13与待标定的数控机床电机的电源线相连，用于测量进给电机电流I的大小。霍尔电流传感器13采集电机电流信号，通过数据采集卡12提供给标定处理器11。标定处理器11对采集电机的电流信号进行处理，并提供阻尼器控制器10的输出电流大小的控制信号。

标定组件包括抗力标定组件和扭矩标定组件。

抗力标定组件用于进给电机电流-切削抗力关系标定，它包括模拟刀具1、齿条2、齿轮4和滑块5。齿轮4安装在磁流变旋转阻尼器3的伸出轴端，滑块5固定在支架箱盖6上，齿条2安装在滑块5上，在标定时齿条2通过模拟刀具1与机床主轴刀柄相连。

扭矩标定组件用于主轴电机电流-切削扭矩关系标定时，它包括上半联轴器8和下半联轴器9。下半联轴器9安装在磁流变旋转阻尼器3的伸出轴端，上半联轴器8安装在下半联轴器9上。在标定时通过上半联轴器8与机床主轴相连。

测力仪14作为装置自身标定时的测量工具。在自身标定时，支架箱体7通过螺栓与测力仪14固连，测力仪14则通过螺栓与机床工作台固连；在工作方式标定时，支架箱体直接与工作台固连。

给阻尼器控制器10输入一定的控制电压时，阻尼器控制器10输出一定大小的电流到磁流变旋转阻尼器3的线圈中，线圈通电产生一定强度的磁场使阻尼器中的磁流变液体由于磁流变效应而具有一定的剪切屈服强度。在用于进给电机电流-切削抗力关系标定时，工作台的进给运动带动磁流变旋转阻尼器3运动，主轴相对工作台作直线运动，通过齿轮4和齿条2的啮合作用，带动磁流变旋转阻尼器的轴转动。磁流变旋转阻尼器3的轴与壳体发生相对运动而剪切具有一定剪切屈服强度的磁流变液体，从而形成阻力，实现对机床工作台进给运动的加载。

在用于主轴电机电流-切削扭矩关系标定时，机床主轴以某一转速转动，主轴转动通过联轴器8、9带动磁流变旋转阻尼器3的轴旋转，实现对机床主轴转动的加载。

标定处理器11经数据采集卡12输出控制信号，并输入阻尼器控制器10中，阻尼器控制器10输出与控制信号大小相对应的电流到磁流变旋转阻尼器3的线圈中，不同的电流产生的磁场强度不一样，故导致的磁流变液体的剪切屈服强度也不一样，从而达到调节可以提供的模拟负荷大小的目的。

如图1，2，7所示，标定装置组装完成后，首先要进行自身标定，即进行控制电压U、机床进给速度V(主轴转速N)与可输出的进给抗力F(模拟切削扭矩T)关系的标定。由数控机床给定进给速度V(主轴转速N)，标定处理器11经数据采集卡12的模拟输出通道输出控制电压U；采用测力仪14测量进给抗力F(模拟切削扭矩T)的大小，并用数据采集卡12进行数据采集，将采得的数据经标定处理器11进行一系列处理后与输出的控制电压U、进给速度V(主轴转速N)一起存入自身关系数据库，达到标定本装置控制参量控制电压U、进给速度V(主轴转速N)与输出参量进给抗力F(切削扭矩T)关系的目的。在自身标定完成之后，控制参量与输出参量关系数据库(即自身关系数据库)与标定装置配套，用于无测力仪场合时作为工作方式标定使用。

在工作方式标定，即进行机床电机电流-切削负荷关系标定时，将标定装置的支架箱体7直接安装在机床工作台上。进行进给电机电流-进给抗力标定时，通过模拟刀具1与机床主轴相连。进行切削扭矩-主轴电机电流标定时，通过上半联轴器8与机床主轴相连。数控机床给定不同的进给速度V(主轴转速N)，由于标定装置本身已经过标定，则可根据标定处理器11输出的控制电压U和机床给定的进给速度V(主轴转速N)查自身关系数据库得知可输出的进给抗力F(模拟切削扭矩T)的大小。同时，霍尔电流传感器13测量进给伺服电机(主轴电机)电流I的大小，经标定处理器11进行一系列处理后存入电机电流-切削负荷关系数据库，从而标定出机床进给伺服电机(主轴电机)电流I与进给抗力F(切削扭矩T)的关系。

如图9标定处理器数据处理流程图所示。自身标定时，给定控制电压和进给速度(主轴转速)，数据采集卡采集测力仪测量的力(扭矩)信号，然后截取其有效数据段进行分析，求取力(扭矩)信号均值并与此时给定的控制电压、进给速度(主轴转速)相对应存入自身关系数据库，从而标定出装置控制参量(控制电压、进给速度或主轴转速)与输出参量(进给抗力或模拟切削扭矩)的关系；工作方式标定是进行进给伺服电机(主轴电机)与进给抗力(切削扭矩)关系的标定，通过设定控制电压和进给速度(主轴转速)通过查询自身关系数据库可以得知可输出的模拟进给抗力(切削扭矩)大小。数据采集卡采集霍尔传感器测得的进给伺服电机(主轴电机)电流信号，然后截取其有效数据段进行分析，经数字滤波和三相叠加后，再转化为等效的直流电流值与已知的进给抗力(切削扭矩)值对应存入电流-负荷关系数据库。通过改变控制电压或进给速度(主轴转速)来改变进给抗力(切削扭矩)大小进行负荷模拟系统响应滞后分析；对测得的进给伺服电机(主轴电机)电流信号进行时频域分析观测信号变化趋势；曲线拟合可拟合出各输入量(控制电压、进给速度或主轴转速)与输出量(模拟进给抗力或切削扭矩、进给伺服电机电流或主轴电机电流等)之间的关系。

进给电机电流-进给抗力关系标定仪根据滑块5在支架箱盖6上安装方向不同可以分别实现对X、Y方向的标定；对箱体结构进行适当变化也可以实现Z向进给电机电流-进给抗力关系的标定。

该标定装置有配套的标定处理器在对装置本身和对机床进行标定时使用，其主要由计算机和相关软件组成，完成对测得的数据进行分析、处理、存储、曲线拟合计算和数据库管理、输出控制信号等相关功能。

Claims (1)

1.一种数控机床电机电流与切削负荷关系标定装置，其特征在于：它包括磁流变旋转阻尼器(3)、支架箱盖(6)、支架箱体(7)、阻尼器控制器(10)、标定处理器(11)、数据采集卡(12)、霍尔电流传感器(13)和和标定组件；

支架箱盖(6)固定在支架箱体(7)上，磁流变旋转阻尼器(3)固定在支架箱盖(6)上，标定组件与磁流变旋转阻尼器(3)的伸出轴连接；阻尼器控制器(10)与磁流变旋转阻尼器(3)相连，阻尼器控制器(10)和霍尔电流传感器(13)均通过数据采集卡(12)与标定处理器(11)相连；

标定组件包括抗力标定组件和扭矩标定组件；

抗力标定组件包括模拟刀具(1)、齿条(2)、齿轮(4)和滑块(5)；在进给电机电流-切削抗力关系标定时，模拟刀具(1)与机床主轴刀柄相连，齿轮(4)安装在磁流变旋转阻尼器(3)的伸出轴端，滑块(5)固定在支架箱盖(6)上，齿条(2)安装在滑块(5)上；

扭矩标定组件包括上半联轴器(8)和下半联轴器(9)，在主轴电机电流-切削扭矩关系标定时，上半联轴器(8)与机床主轴相连，下半联轴器(9)安装在磁流变旋转阻尼器(3)的伸出轴端，上半联轴器(8)安装在下半联轴器(9)上；

霍尔电流传感器(13)采集电机电流信号，通过数据采集卡(12)提供给标定处理器(11)；标定处理器(11)对采集电机的电流信号进行处理，根据采集的电机电流有效值的大小提供阻尼器控制器(10)的输出电流大小的控制信号。

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