CN105005266B - 一种基于电机电流的铣削刀具碰撞快速辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电机电流的铣削刀具碰撞快速辨识方法，该方法包括如下步骤：利用刀具进行试切，监测电机电流信号，提取表征刀具状态的电流特征量I_RMS值；对获得的I_RMS值进行平滑处理，以去除干扰信号；然后根据平滑处理后的I_RMS值标定出各工况下的幅值、斜率；利用刀具进行实际切削，实时获取刀具在实际切削加工过程中的经平滑处理后的I_RMS的实测值A和波动周期内的最大斜率Vm，通过该实测值A和最大斜率Vm与标定出的各工况下的相应的辨识参数进行在线辨识运算，从而准确快速地辨识出刀具是否发生碰撞。本发明的辨识准确度高、响应速度快，减少了刀具碰撞的误判、漏判，且能够有效地保护主轴、刀具及工件。

Description

一种基于电机电流的铣削刀具碰撞快速辨识方法

技术领域

本发明属于数控装备加工过程监控技术领域，更具体地，涉及一种基于电机电流的铣削刀具碰撞快速辨识方法。

背景技术

刀具碰撞是相对于刀具正常切削而言的，如果加工过程中切削负荷瞬间超出正常切削负荷，即认为刀具发生了碰撞。据德国亚琛工业大学“最易引起机床刀具碰撞的因素”的调查显示，使用者或编程员的操作失误是刀具碰撞最主要的原因，操作失误包括刀具的错误定义、安装了错误的刀具及制造工艺的故障，如零漂移，此外，调查者一致同意造成刀具碰撞的其他因素是机床或数控系统本身，这些错误非常普遍。刀具的碰撞可能发生在切入过程中，机床主轴单元很容易受到损害；也可能发生在切削过程中，这种情况不仅对主轴、刀具有损伤，还会破坏已加工工件。由此可见，加工过程中的刀具碰撞的快速辨识对于保护主轴单元和进口刀具，保证加工质量和效率等都具有重大意义。

由于刀具碰撞的危害性，一方面，国内外学者对刀具碰撞方面做了大量研究工作，目前，针对刀具碰撞的保护措施大致基于两种策略：碰撞预防和损害预防，碰撞预防主要是通过加工路径的离线或在线规划来预防刀具碰撞，但是真实情况和仿真模型总有不可预期的偏差，辨识容易出错。损害预防有两种方法，一种是利用传感信号，包括机床内置的位置、速度、电流信号，通过监测加、减速度的变化率，以及使用外加传感器监测加速度、力信号等，以监测机床的加工状况；另一种方法是当力或扭矩过载时将主轴或进给轴脱开，达到动力切断的目的。

另一方面，商业化的刀具监控系统也在致力于碰撞监控方面的应用研究，如德国的MONTRONIX、NORDMANN，以色列的OMATIVE，瑞士的KISTLER等刀具监控系统。这些产品的主要监测方法是通过设定刀具碰撞的门限值，当监测到的信号幅值超出门限值时，即认为刀具发生了碰撞。但是，上述方法依然存在以下问题：由于加工过程的复杂性，门限值设置不合适，容易引起刀具碰撞的误判、漏判，影响正常的生产加工；由于要达到指定的信号幅值门限值需要一定的时间，刀具碰撞辨识速度慢，效率低；成本过高，目前的刀具监控设备大多是国外进口设备，技术上严格保密，价格昂贵。

发明内容

针对现有技术的上述缺点和/或改进需求，本发明提供了一种基于电机电流的铣削刀具碰撞快速辨识方法，其中利用了铣削刀具切入过程的接触力原理及切削负荷的波动规律，通过实时监测的电流信号的幅值和最大斜率值与标定的碰撞辨识参数进行比较，从而快速有效的辨识出刀具碰撞，此外，还充分考虑了主轴制动、暂停后继续加工等工况对刀具碰撞辨识的影响，相应的能提高刀具碰撞辨识的准确度，减少误判、漏判，同时本发明还具备刀具碰撞辨识时间短，成本低等优点，并且能够有效的保护主轴、刀具及工件，因而尤其适用于各种刀具的在线碰撞辨识等场合。

为实现上述目的，本发明提出了一种基于电机电流的铣削刀具碰撞快速辨识方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)电流RMS信号的获取：利用作为监测对象的铣削刀具对工件进行试切，监测铣削刀具的驱动电机在不同工况下的三相电流信号，并提取电流信号表征切削负荷的特征量I_RMS值，然后对所述I_RMS进行平滑处理，以去除干扰信号；

(2)刀具碰撞辨识参数的标定：根据步骤(1)中平滑处理后的特征量I_RMS标定出如下辨识参数：主轴空转工况下的空转幅值A_i，刀具切入过程工况下的波动周期内的斜率的最大值V_up和最小值V_down，刀具切削加工工况下的幅值的最大值A_up和最小值A_down，刀具切削加工工况下的斜率的最大值V_{p_up}，主轴制动工况下的斜率的最小值V_b-down，主轴暂停后继续加工工况下的空转幅值A_zt及主轴暂停后继续加工后刀具切入过程的波动周期内的斜率最大值V_zt；

(3)刀具碰撞的在线辨识：所述刀具在实际切削加工时，实时监测并获取实际切削加工过程中的经平滑处理后的I_RMS的实测值A及其波动周期内的最大斜率V_m，通过该实测值A和最大斜率V_m与步骤(2)中标定出的相应的辨识参数进行在线辨识运算，从而准确快速的辨识出铣削刀具是否发生碰撞。

作为进一步优选的，步骤(3)中所述的刀具碰撞的在线辨识包括切入过程碰撞辨识模块和切削加工碰撞辨识模块。

作为进一步优选的，所述的切入过程碰撞辨识模块的具体辨识过程如下：

1)当实时监测到的所述实测值A超出所述空转幅值A_i一定范围后，判断所述V_m是否满足V_down≤V_m≤V_up的条件：若是，则说明正常切入并跳转至切削过程碰撞辨识模块；若不是，则转入步骤2)；

2)接着判断V_m是否大于V_up：若不是，说明加载的切削负荷不够；若是，则进一步判断所述实测值A是否大于等于所述幅值A_zt：若不是，则判断为刀具切入过程发生碰撞；若是，则转入步骤3)；

3)继续判断V_m是否等于所述V_zt：若是，则判断为属于暂停后继续加工的工况；若不是，则转入步骤4)；

4)继续判断V_m是否大于等于所述V_b-down：若是，则判断为主轴制动；若不是，则判断为切入过程发生碰撞。

作为进一步优选的，所述的一定范围预先被设定为1.5％～2％。

作为进一步优选的，所述的切削加工碰撞辨识模块的具体辨识过程如下：

a)判断实时监测到的所述实测值A是否满足A_down≤A≤A_up的条件：若是，则说明正常切削；若不是，则转入步骤b)；

b)接着判断该实测值A是否大于A_up：若不是，说明加载的切削负荷不够；若是，则判断所述V_m是否大于等于所述V_{p_up}，当比较结果为是时，判断为切削加工过程中发生碰撞。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明的辨识准确度高，其利用了当铣削刀具发生碰撞时，切削负荷瞬间增大，刀具与工件接触时电流RMS值的斜率也很大的规律，并根据机床特性，学习获得了电流的响应特性，在此基础上，充分考虑了主轴制动、暂停后继续加工等工况对刀具碰撞辨识可能造成的误判；在实际刀具碰撞辨识中考虑了切入碰撞及切削过程中可能发生的碰撞，减少了刀具碰撞的误判、漏判。

2.本发明的辨识响应速度快，利用刀具以不同的接触条件与工件接触，产生的接触力大小是不同的原理，能够在刀具接触工件后的瞬时就辨识出是否发生碰撞，缩短了刀具碰撞辨识的时间，能够有效地保护主轴、刀具及工件等；此外，采用本发明的辨识方法进行刀具碰撞的辨识，成本低，且无需改动机床。

附图说明

图1是铣削刀具碰撞辨识方法整体实现框架图；

图2(a)为电机电流未经平滑处理后的RMS时域波形图及局部放大图；

图2(b)为电机电流经平滑处理后的RMS时域波形图；

图3(a)为空转I_RMS值示意图；

图3(b)为切入过程斜率示意图；

图4(a)、4(b)分别为主轴制动工况下的I_RMS值和斜率示意图；

图5为刀具切入过程电流RMS波动模型示意图；

图6(a)、6(b)为实测切入过程的正常切入和刀具碰撞RMS的波动周期示意图；

图7(a)为基于电机电流的铣削加工刀具切入过程碰撞辨识流程图；

图7(b)为基于电机电流的铣削加工刀具切削过程碰撞辨识流程图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

一种基于电机电流的铣削刀具碰撞快速辨识方法，该方法通过监测机床试加工时电机电流信号，提取表征切削负荷的电流特征量(RMS值)，结合工艺参数对其进行平滑处理，进一步标定出平滑后的RMS信号在刀具切入、切削、主轴空转、主轴制动和暂停后继续加工等工况下的幅值、斜率，基于这些参数实现刀具碰撞的快速而准确的辨识。

在本实施例中，设定铣削加工参数为：主轴转速S＝500prm，进给速度F＝100mm/min，切深H＝3mm；刀具为Φ16超硬直柄球头铣刀、2齿，辨识方法具体包括以下步骤：

(1)搭建监测驱动电机三相电流信号的平台，根据实际工艺参数，利用作为被测对象的超硬直柄球头铣刀进行试切，分别监测主轴空转、刀具切入过程、刀具切削过程、主轴制动、主轴暂停后继续加工五个工况下的主轴电机的三相电流信号i_u、i_v及i_w，并提取电流信号表征切削负荷的特征量I_RMS，由式(1)给出：

结合工艺参数对电机电流RMS值进行平滑处理，采用滑动窗平均算法进行，参数涉及滑动窗长、滑动步长及采样频率，滑动窗长、滑动步长结合主轴转速S、进给速度F及刀具直径D等参数选取，本实施例中选取滑动窗长滑动步长(其中N＝6)，平滑前、后的波形对比图如图2(a)和2(b)所示。由图可知，平滑前信号毛刺多，干扰大，幅值波动规律不明显，如图2(a)所示；平滑后幅值波动规律明显，可清楚地区分各个加工工况，如图2(b)所示。平滑处理的主要作用是去除干扰噪声，得到反映刀具切削状态的RMS值。

(2)根据经过平滑处理的反映刀具切削状态的I_RMS值，标定出切入、切削、主轴空转、制动、暂停后继续加工等不同工况下信号的幅值、斜率及波动周期，I_RMS的幅值可以反映加工工况，斜率是指相邻两点I_RMS值之差，是幅值的一次差分，它可以反映负荷变化情况；从刀具接触工件到进给至刀具半径期间，RMS斜率存在“周期性”变化，表现为每隔一段时间就有一个明显的较大值出现，称之为波动周期Tb，利用波动周期内斜率的最大值可以预测刀具是否发生碰撞；由于铣削加工是断续加工，切入过程中刀齿交替着与工件接触，每接触一次负荷会有一次“显著”地增大，存在齿周期且由于制造误差(刀具的偏心等)，存在转周期刀具刚切入阶段，设每个齿的转角为对应的切削时间为δt，每个滑动窗有N个步长，亦称为N个队列，滑动窗的首个步长称为队首，结合图5建立的模型进行分析，N为6，可得其波动周期等于齿周期(即T_b＝T_c)，也就是每隔T_c时间出现较大的切削负荷波动；大量实验发现，相同的切削条件下，齿周期内最大斜率相差很大，这是由于刀具制造的偏心、刀柄与主轴的同轴度等因素造成的，为了提高辨识的可靠性，取波动周期为转周期更为合适，即T_b＝T_z；切入过程的波动周期如图6所示。

另外，本发明中测量主轴空转、制动、暂停后继续加工等工况下的辨识参数的原因是为了减少误判、错判，以免影响刀具碰撞辨识的准确性，因为这些工况也会引起RMS值得急剧变化。

在本实施例中，分别标定出主轴空转工况下的空转幅值A_i，刀具切入过程工况下的波动周期内的最大斜率V_up、最小斜率V_down，刀具切削加工工况下的最大幅值A_up、最小幅值A_down及最大斜率V_{p_up}，主轴制动工况下的最小斜率V_b-down，主轴暂停后继续加工工况下的空转幅值A_zt及主轴暂停后继续加工后刀具切入过程的波动周期内的最大斜率值V_zt；

根据图2(b)可知主轴静止时幅值约为0，之后主轴快速起动达到空转设定的转速，表现为幅值急剧增大后稳定在空转幅值A_i，然后工作台进给，当刀具开始接触工件至进给至刀具半径处幅值有一段上升过程，之后切削量不变，进入切削加工，幅值稳定在切削幅值A_b，加工完成后刀具开始切出工件，幅值下降，最后主轴制动时，幅值快速增大后将为0。

(3)采用作为测量对象的超硬直柄球头铣刀正式开始铣削加工，实时监测并获取该铣刀在正式切削加工过程中的平滑处理后的I_RMS的实测值A和波动周期内的最大斜率V_m，通过该实测值A和最大斜率V_m与步骤(2)中标定获得的所述五个工况下的相应的辨识参数进行在线辨识运算，从而准确快速的辨识出刀具是否发生碰撞。

所述的刀具碰撞的在线辨识包括切入过程碰撞辨识模块和切削加工碰撞辨识模块。

(3.1)所述的切入过程碰撞辨识模块的具体辨识过程如下(如图7(a)所示，图中的δ为主轴空转时主轴电流I_RMS幅值的许可系数)：

(3.1.1)实时监测主轴电机电流(亦即实时得到平滑处理后的RMS值)，当实时监测到的I_RMS的实测值A超出所述主轴空转幅值A_i一定范围后(该范围与机床特性相关，一般取为1.5％-2％，本机床取为1.5％)，判断该V_m是否满足V_down≤V_m≤V_up的条件：若是，则说明正常切入并跳转至切削过程碰撞辨识模块；若不是，则进入步骤(3.1.2)；

(3.1.2)接着，判断V_m是否大于V_up：若不是，说明加载的切削负荷不够(切削负荷不够是指切削负荷低于正常加工，是一种与刀具过载、碰撞相反的非正常加工，其加工出来的产品同样达不到设计要求，其也是一种异常)；若是，则进一步判断所述实测值A是否大于等于所述A_zt：若不是，则判断为刀具切入碰撞(即刀具在切入过程中发生了碰撞)，若是，则进一步判断V_m是否等于主轴暂停后继续加工工况下的斜率值V_zt：若是，则判断为主轴暂停后继续加工；若不是，则进一步判断V_m是否大于等于主轴制动工况下的最小斜率V_b-down：若是，则判断为主轴制动；若不是，则判断为切入碰撞。

(3.2)所述的切削加工碰撞辨识模块的具体辨识过程如下(如图7(b)所示)：判断实时监测到的实测值A是否满足A_down≤A≤A_up的条件：若是，则说明正常切削，若不是，则判断该幅值A是否大于A_up：若不是，说明加载的切削负荷不够；若是，则进一步判断V_m是否大于等于V_{p_up}：若是，则判断为切削碰撞(即刀具在切削加工过程中发生了碰撞)。

本发明利用了刀具切入过程的接触力原理及切削负荷波动规律，并根据机床特性，学习获得了电流的响应特性，在此基础上，充分考虑了主轴制动、暂停后继续加工等工况对刀具碰撞辨识可能造成的误判，能快速准确的辨识出刀具是否发生碰撞。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于电机电流的铣削刀具碰撞快速辨识方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)电流RMS信号的获取：利用作为监测对象的铣削刀具对工件进行试切，监测铣削刀具的驱动电机在不同工况下的三相电流信号，并提取电流信号表征切削负荷的特征量I_RMS值，然后对所述I_RMS进行平滑处理，以去除干扰信号；

(2)刀具碰撞辨识参数的标定：根据步骤(1)中平滑处理后的特征量I_RMS标定出如下辨识参数：主轴空转工况下的空转幅值A_i，刀具切入过程工况下的波动周期内的斜率的最大值V_up和最小值V_down，刀具切削加工工况下的幅值的最大值A_up和最小值A_down，刀具切削加工工况下的斜率的最大值V_{p_up}，主轴制动工况下的斜率的最小值V_b-down，主轴暂停后继续加工工况下的空转幅值A_zt及主轴暂停后继续加工后刀具切入过程的波动周期内的斜率最大值V_zt；

(3)刀具碰撞的在线辨识：利用所述铣削刀具进行实际切削加工，实时监测并获取实际切削加工过程中的经平滑处理后的I_RMS的实测值A及其波动周期内的最大斜率V_m，通过该实测值A和最大斜率V_m与步骤(2)中标定出的相应的辨识参数进行在线辨识运算，从而准确快速的辨识出铣削刀具是否发生碰撞，所述的刀具碰撞的在线辨识包括切入过程碰撞辨识模块和切削加工碰撞辨识模块。

2.如权利要求1所述的一种基于电机电流的铣削刀具碰撞快速辨识方法，其特征在于，所述的切入过程碰撞辨识模块的具体辨识过程如下：

1)当实时监测到的所述实测值A超出所述空转幅值A_i一定范围后，判断所述V_m是否满足V_down≤V_m≤V_up的条件：若是，则说明正常切入并跳转至切削过程碰撞辨识模块；若不是，则转入步骤2)；

2)接着判断V_m是否大于V_up：若不是，说明加载的切削负荷不够；若是，则进一步判断所述实测值A是否大于等于所述幅值A_zt：若不是，则判断为刀具切入过程发生碰撞；若是，则转入步骤3)；

3)继续判断V_m是否等于所述V_zt：若是，则判断为属于暂停后继续加工的工况；若不是，则转入步骤4)；

4)继续判断V_m是否大于等于所述V_b-down：若是，则判断为主轴制动；若不是，则判断为切入过程发生碰撞。

3.如权利要求2所述的一种基于电机电流的铣削刀具碰撞快速辨识方法，其特征在于，所述的一定范围预先被设定为1.5％～2％。

4.如权利要求1-3任一项所述的一种基于电机电流的铣削刀具碰撞快速辨识方法，其特征在于，所述的切削加工碰撞辨识模块的具体辨识过程如下：

a)判断实时监测到的所述实测值A是否满足A_down≤A≤A_up的条件：若是，则说明正常切削；若不是，则转入步骤b)；

b)接着判断该实测值A是否大于A_up：若不是，说明加载的切削负荷不够；若是，则判断所述V_m是否大于等于所述V_{p_up}，当比较结果为是时，判断为切削加工过程中发生碰撞。