CN105710719B - 消空程方法和系统以及机床 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种消空程方法，包括以下步骤：采集加工机床加工过程中的实时物理量；将实时物理量与第一阈值进行比较，并在实时物理量小于等于第一阈值时，控制机床的加工刀具和工件之间的进给速度为第一进给速度；以及在实时物理量大于第一阈值时，控制加工刀具和工件之间的进给速度为第二进给速度；其中，第二进给速度小于第一进给速度。上述消空程方法能够减少加工中空行程所消耗的加工时间，大大提高了加工的效率。本发明还公开一种消空程系统和机床。

Description

消空程方法和系统以及机床

技术领域

本发明涉及机械加工监控技术领域，尤其涉及一种消空程方法和系统以及机床。

背景技术

在机加工工艺中，刀具一般是从工件外一点开始向工件运动，在刀具未接触到工件之前要以较快的进给速度运行到安全位置，然后再以正常的进给速度向工件移动，当接触到工件之后，开始进入正常的加工状态。刀具从开始运动到接触到工件之前的运动行程称之为空行程。空行程的时间越短，加工效率越高。

然而，由于工件来料不均匀，为了确保刀具和工件不发生碰撞，安全位置的设置要在最大余量工件的边界之外，这就导致空行程中有很大一部分比例是按照较慢的进给速度来行进的，极大的浪费了加工的时间。例如在磨削过程中，单个工件的空行程占整个磨削循环时间的5％-20％，在大批量生产中消耗了大量的时间，影响了加工效率。

发明内容

基于此，有必要提供一种减少加工过程中空行程消耗时间的消空程方法和系统以及机床。

一种消空程方法，包括以下步骤：

采集加工机床加工过程中的实时物理量；

将所述实时物理量与第一阈值进行比较，并在所述实时物理量小于等于第一阈值时，控制所述机床的加工刀具和工件之间的进给速度为第一进给速度；以及

在所述实时物理量大于所述第一阈值时，控制所述加工刀具和所述工件之间的进给速度为第二进给速度；

其中，所述第二进给速度小于所述第一进给速度；

所述实时物理量为主轴电机功率、主轴电机扭矩、主轴电机的电流、切削力、切削区域的振动、切削区域的声音或切削区域的温度。

在其中一个实施例中，所述消空程方法还包括：

将所述实时物理量与第二阈值进行比较，并在所述实时物理量大于所述第二阈值时，控制所述加工刀具和所述工件执行第一操作；

其中，所述第二阈值大于所述第一阈值；

所述第一操作包括所述加工刀具和所述工件之间停止进给、所述加工刀具和所述工件之间的相对位置复位，以及所述加工刀具和所述工件之间停止相对转动。

在其中一个实施例中，所述实时物理量为加工机床的主轴电机功率；所述加工刀具与所述工件未接触时，，所述主轴电机的运行功率为空转功率；

所述第一阈值为所述空转功率的1.05倍至1.4倍。

在其中一个实施例中，所述主轴电机在正常加工过程中的实时功率形成加工功率曲线，所述第二阈值为所述加工功率曲线中最大峰值的1.2倍至1.5倍。

在其中一个实施例中，所述消空程方法还包括：采集所述加工刀具与所述工件间的相对位移数据。

一种消空程系统，包括数据采集装置、数据处理装置和信号输出装置；所述数据采集装置和所述数据处理装置相连接，所述数据处理装置和所述信号输出装置相连接；

所述数据采集装置用于采集加工机床加工过程中的实时物理量，并转换成所述数据处理装置可识别的信号模式，发送至数据处理装置；

所述数据处理装置用于将所述实时物理量与第一阈值进行比较，在所述实时物理量小于等于第一阈值时，控制所述机床的加工刀具和工件之间的进给速度为第一进给速度；以及

在所述实时物理量大于所述第一阈值时，通过所述信号输出装置输出第一触发信号至机床控制系统，所述机床控制系统控制所述加工刀具和所述工件之间的进给速度为第二进给速度；

其中，所述第二进给速度小于所述第一进给速度；

所述实时物理量为主轴电机功率、主轴电机扭矩、主轴电机的电流、切削力、切削区域的振动、切削区域的声音或切削区域的温度。

在其中一个实施例中，所述数据处理装置还用于将所述实时物理量与所述第二阈值进行比较，在所述实时物理量大于所述第二阈值时，通过所述信号输出单元输出第二触发信号至所述机床控制系统；

所述机床控制系统检测到所述第二触发信号后，控制所述加工刀具和所述工件执行第一操作；

其中，所述第二阈值大于所述第一阈值；

所述第一操作包括所述加工刀具和所述工件之间停止进给、所述加工刀具和所述工件之间的相对位置复位，以及所述加工刀具和所述工件之间停止相对转动。

在其中一个实施例中，所述数据采集装置还用于采集所述加工刀具与所述工件间的相对位移数据。

在其中一个实施例中，所述消空程系统还包括显示存储装置；所述显示存储装置与所述数据处理装置连接；

所述显示存储装置用于将所述实时物理量和所述加工刀具与所述工件间的相对位移数据进行显示和存储。

一种机床，包括上述任意一种消空程系统。

上述消空程方法和系统以及机床，在加工过程中，加工刀具和工件之间的进给速度以较快的第一进给速度进给，同时检测加工机床的实时物理量；在加工刀具与工件接触的瞬间，实时物理量会迅速上升，当实时物理量超过第一阈值时，则认为加工刀具与工件接触。此时控制加工刀具和工件之间的进给速度变为正常加工时的第二进给速度，对工件进行加工。因此，上述消空程方法，能够使得加工刀具在较短的时间内完成空行程的进给，减少了空行程所消耗的加工时间，大大提高了加工的效率。

附图说明

图1为本发明消空程方法一个实施例的流程图；

图2为本发明消空程系统一个实施例的结构示意图；

图3为本发明消空程系统一个实施例中的主轴电机的磨削功率曲线和磨削刀具的位移曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明消空程方法和系统以及机床的具体实施方式进行说明。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。

能够反应加工机床加工过程的物理量有很多种，常用的包括切削力、主轴电机扭矩、主轴电机功率、主轴电机电流、切削区域的振动、切削区域的声音和切削区域的温度等物理量。这些物理量对应的传感器依次为力传感器、扭矩传感器、功率传感器、电流传感器、振动传感器、声发射传感器和温度传感器。由于每种传感器的信号特点、安装方式和成本的差异，所以在不同的加工应用场合，会使用不同的传感器或多种传感器融合的方式来监测加工过程。无论使用哪种或哪几种传感器，都需要确定每种传感器对应的能够反应加工过程变化的特征值。特征值包括原始信号；基于原始信号的样本数据计算的各种时域内的统计信号，如平均值、峰值、均方根值等；对原始信号进行数学处理变换后所获得的各类频域信号，如功率谱、幅值谱和相位谱等。在加工过程中，机床、工艺参数、加工工具和工件材料每一个微小的变化，都会导致加工过程产生变化，相应的能够反应加工过程的这些物理量也会有变化。但具体使用哪种传感器的哪种特征值来表征要反应的加工过程的变化，需要根据具体的信号特征与要监测的物理现象之间的变化关系来确定。

在确定要监测的特征值之后，就可以使用该特征值作为实现消空程的基础数据，并基于对该数据的详细分析来消空程，最终实现减少加工过程中空行程消耗时间的目的。

基于上述原理，参见图1，一个实施例中，消空程方法可以包括以下步骤：

S101，采集加工机床加工过程中的实时物理量。

其中，实时物理量可以为主轴电机功率、主轴电机扭矩、主轴电机的电流、切削力、切削区域的振动、切削区域的声音或切削区域的温度等物理量。而机床主轴电机消耗的功率与加工刀具所受的切向力成正比，测量主轴电机的功率能给出与切削力一样多的信息，且测量方便。因此，可以测量主轴电机的功率，并通过主轴电机功率的变化来判断在加工过程中加工刀具与工件之间的相对位置关系，从而减少每个工件的空行程耗时。

因此，本实施例中以实时物理量为主轴电机功率为例，对本步骤进行说明，但并不以此为限。其他实时物理量同样可以实现主轴电机功率所能实现的功能。

本实施例中，机床主轴电机可以为机床加工刀具的主轴电机，也可以为机床的放置工件部位的主轴电机。采集到主轴电机的实时电流和实时电压以后，可以结合实时电流和实时电压的相位关系，计算主轴电机功率。一个实施例中，加工刀具可以为磨削刀具。以下均通过采用磨削刀具对工件进行磨削加工为例进行说明，但并不以此为限。加工刀具还可以为除磨削刀具以外的其他加工刀具。在消空程方法中，磨削刀具的工作原理与其他加工刀具的工作原理相同，故不再赘述。

可以理解的，实时物理量为除主轴电机功率以外的情况时，可以通过对应的传感器监测得出，故在此不再详述。

S102，将实时物理量与第一阈值进行比较，并在实时物理量小于等于第一阈值时，控制加工刀具和工件之间的进给速度为第一进给速度；以及在实时物理量大于第一阈值时，控制加工刀具和工件之间的进给速度为第二进给速度。

同样的，以下以实时物理量为主轴电机功率为例，对本步骤进行说明，但并不以此为限。

本实施例中，计算出主轴电机功率后，将该实时功率与预先设定的第一阈值进行比较，并根据比较结果控制磨削刀具的进给速度。具体的，在主轴电机功率小于等于第一阈值时，控制磨削刀具和工件之间的进给速度为第一进给速度。在主轴电机功率大于第一阈值时，控制磨削刀具和工件之间的进给速度为第二进给速度。

其中，第二进给速度小于第一进给速度。第一阈值为磨削刀具与工件接触 时，主轴电机的触发功率阈值。具体的，定义磨削工具的砂轮空转时，主轴电机的功率为空转功率。第一阈值大于空转功率，且第一阈值的大小可以设置为空转功率的1.05倍至1.4倍。第一阈值设置的过小，则会增加空行程所消耗的时间。第一阈值设置的过大，则会导致磨削刀具已经开始磨削工件，而磨削刀具和工件之间的进给速度还为较快的第一进给速度，对工件的磨削质量不利。本实施例中，第一阈值的大小可以根据实验数据得出。

本实施例中，控制磨削刀具和工件之间的进给速度为第一进给速度具体可包括：控制磨削刀具以第一进给速度向工件移动；或控制工件以第一进给速度向磨削刀具移动；或控制磨削刀具和工件同时相对移动。同理，控制磨削刀具和工件之间的进给速度为第二进给速度具体可包括：控制磨削刀具以第二进给速度向工件移动；或控制工件以第二进给速度向磨削刀具移动；或控制磨削刀具和工件同时相对移动。

优选的，消空程方法还可以包括：将实时功率与第二阈值进行比较，并在实时功率大于第二阈值时，控制加工刀具执行第一操作。

当出现误操作或加工刀具和工件发生异常的碰撞时，主轴电机的功率会快速升高，通常会高于一般加工过程中功率的峰值。因此，可以设定一个极限功率阈值，当主轴电机功率超过设定的极限功率阈值时，控制加工刀具和工件执行第一操作。第一操作具体可以包括：加工刀具和工件之间停止进给、加工刀具和工件之间的相对位置复位，以及加工刀具和工件之间停止相对转动等操作。这样就可以避免加工刀具、工件或机床的过度损伤，提高操作人员的安全性。其中，第二阈值即为前述极限功率阈值，且第二阈值大于第一阈值。第二阈值的设定也可以根据实验数值得出。本实施例中，加工刀具可以为磨削刀具，对应的加工过程为磨削过程。主轴电机在正常磨削过程中的实时功率形成磨削功率曲线，参见图3。第二阈值可以为磨削功率曲线中最大峰值的1.2倍至1.5倍。

另外，第一进给速度可以根据实际情况进行设置。例如，参考加工刀具的型号、被加工的工件的形状以及加工刀具与工件间的初始距离等因素，对第一进给速度进行设置。第二进给速度可以为现有的加工工件的正常进给速度。

同样的，步骤S102中的实时物理量为除主轴电机功率以外的其他实时物理 量时，可以参照主轴电机功率的过程，将实时物理量与第一阈值进行比较。并在实时物理量小于等于第一阈值时，控制加工刀具和工件之间的进给速度为第一进给速度。以及，在实时物理量大于第一阈值时，控制加工刀具和工件之间的进给速度为第二进给速度。

进一步的，消空程方法还可以包括：采集加工刀具与工件间的相对位移数据。将加工刀具与工件间的相对位移数据结合加工机床的实时物理量，可以用于对整个消空程过程的评价，并根据评价结果对整个消空程过程进行进一步的优化。

上述消空程方法，在加工刀具进给过程中，加工刀具和工件之间的进给速度以较快的第一进给速度进给，同时检测加工机床的实时物理量。在加工刀具与工件接触的瞬间，实时物理量会迅速上升，当实时物理量超过第一阈值时，则认为加工刀具与工件接触。此时需控制加工刀具和工件之间的进给速度变为正常加工时的第二进给速度，对工件进行加工。因此，上述消空程方法，能够使得加工刀具在较短的时间内完成空行程的进给，减少了空行程所消耗的加工时间，大大提高了加工的效率。

基于统一发明构思，本发明还提出一种消空程系统。参见图2，一个实施例中，消空程系统可以包括数据采集装置110和数据处理装置120和信号输出装置130。其中，数据采集装置110和数据处理装置120连接。数据处理装置120和信号输出装置130相连接。数据采集装置110用于采集加工机床加工过程中实时物理量，并将采集到实时物理量转换成数据处理装置120可识别的信号模式，发送至数据处理装置120。数据处理装置120用于将实时物理量与第一阈值进行比较，并在实时物理量小于等于第一阈值时，控制机床的加工刀具300和工件之间的进给速度为第一进给速度。以及在实时物理量大于第一阈值时，通过信号输出装置130输出第一触发信号至机床控制系统200。机床控制系统200控制加工刀具300和工件之间的进给速度为第二进给速度。

其中，实时物理量可以为主轴电机功率、主轴电机扭矩、主轴电机的电流、切削力、切削区域的振动、切削区域的声音或切削区域的温度等物理量。为便于描述，以下以实时物理量为主轴电机功率为例，对本步骤进行说明，但并不 以此为限。

本实施例中，机床主轴电机可以为机床加工刀具300的主轴电机，也可以为机床的放置工件部位的主轴电机。数据处理装置120可以结合实时电流和实时电压的相位关系，计算主轴电机功率。一个实施例中，加工刀具300可以为磨削刀具。以下均通过采用磨削刀具对工件进行磨削加工为例进行说明，但并不以此为限。加工刀具300还可以为除磨削刀具以外的其他加工刀具300。在消空程系统中，磨削刀具的工作原理与其他加工刀具300的工作原理相同，故不再赘述。机床控制系统200可通过控制加工刀具300的进给机构来控制加工刀具300和工件之间的进给速度。

其中，第一进给速度大于第二进给速度。在磨削进给过程中，数据处理装置120控制磨削刀具和工件之间的进给速度为较快的第一进给速度，同时检测主轴电机的功率。在磨削刀具与工件接触的瞬间，磨削刀具主轴消耗的功率会迅速上升，即主轴电机功率会上升。当主轴电机功率超过第一阈值时，则认为磨削刀具与工件接触。此时数据处理装置120控制磨削刀具和工件之间的进给速度变为正常磨削时的第二进给速度，对工件进行磨削。因此，能够使得磨削刀具在较短的时间内完成空行程的进给，大大提高了磨削的效率。

本实施例中，第一触发信号可以为高电平触发信号或低电平触发信号。且第一触发信号的保持时间应该大于机床控制系统200的巡检时间，以防止机床控制系统200检测不到第一触发信号。例如，机床控制系统200的巡检时间为7ms，第一触发信号的保持时间应大于7ms。

另外，第一进给速度可以根据实际情况进行设置。例如，参考磨削刀具的型号、被磨削的工件的形状以及磨削刀具与工件间的初始距离等因素，对第一进给速度进行设置。

本实施例中，控制磨削刀具和工件之间的进给速度为第一进给速度具体可包括：控制磨削刀具以第一进给速度向工件移动；或控制工件以第一进给速度向磨削刀具移动；或控制磨削刀具和工件同时相对移动。同理，控制磨削刀具和工件之间的进给速度为第二进给速度具体可包括：控制磨削刀具以第二进给速度向工件移动；或控制工件以第二进给速度向磨削刀具移动；或控制磨削刀 具和工件同时相对移动。

进一步的，数据处理装置120还用于将主轴电机的实时物理量与第二阈值进行比较。在实时物理量大于第二阈值时，数据处理装置120发出第二触发信号。第二触发信号经信号输出装置130传输至机床控制系统200，并保持一定的时间。在第二触发信号的保持时间内，机床控制系统200检测到第二触发信号后，就会控制加工刀具执行第一操作。第一操作具体可以包括：加工刀具和工件之间停止进给、加工刀具和工件之间的相对位置复位以及加工刀具和工价之间停止相对转动等操作。在第二触发信号的保持时间过后，信号输出装置130输出的信号会自动恢复到原始状态，数据处理装置120继续比较实时物理量和第二阈值的大小，并重复上述过程。

可以理解的，当出现误操作或加工刀具和工件发生异常的碰撞时，加工机床的实时物理量会迅速升高，通常会高于一般加工过程中加工机床的物理量峰值。因此，可以设定一个极限阈值，当加工机床的实时物理量超过设定的极限阈值时，控制加工刀具和工件执行相应操作。这样就可以避免加工刀具、工件或机床的过度损伤，提高操作人员的安全性。其中，第二阈值即为前述极限阈值，且第二阈值大于第一阈值。第二阈值的设定也可以根据实验数值得出。本实施例中，加工刀具可以为磨削刀具，对应的加工过程为磨削过程。一个实施例中，实时物理量可以为主轴电机功率。主轴电机在正常磨削过程中的实时功率形成磨削功率曲线，参见图3。第二阈值可以为磨削功率曲线中最大峰值的1.2倍至1.5倍。

另外，数据采集装置110还可以用于采集加工刀具300相对于工件的位移数据。数据采集装置110可以安装在固定的支架上，其测头随工件或加工刀具300移动，从而采集加工刀具300与工件的相对位移数据。将采集到的相对位移数据结合加工机床的实时物理量，可以用于对整个消空程过程的评价，并根据评价结果对整个消空程过程进行进一步的优化。

优选的，消空程系统还可以包括显示存储装置140。显示存储装置140用于将加工机床的实时物理量和加工刀具300与工件的相对位移数据进行存储和显示。具体的，显示存储装置140可以将加工机床的实时物理量和加工刀具300 与工件的相对位移数据显示在一个坐标系中，并以曲线的形式进行显示。且加工机床的实时物理量和相对位移数据的时间对应。参见图3，本实施例中，实时物理量为主轴电机功率。这样方便用户对主轴电机功率和加工刀具300与工件的相对位移数据进行评价分析，对整个消空程过程具有指导意义。

参见图3，从图3中可以测量出单个磨削循环中的空程时间。在单个磨削循环中，从图3中的位移曲线中可以快速找到空行程的起点和终点。空行程的起点是第一进给速度的起点，终点是磨削功率曲线从空转功率开始上升的点，也是磨削刀具与工件开始进行磨削加工的起点。因此将主轴电机的磨削功率曲线与相对位移曲线组合，就可以测量出单个磨削循环的空行程时间。另外，根据图3还可以得出空转功率、第一阈值和第二阈值的数值。本实施例中，数据采集装置110将采集到的加工刀具300与工件的相对位移信号发送至数据数据处理装置120。显示存储装置130可以与数据处理装置120连接，以获取相对位移数据，和数据处理装置120计算出的主轴电机功率。

上述消空程系统，在加工进给过程中，数据处理装置120控制加工刀具300和工件之间的进给速度为较快的第一进给速度，同时检测加工机床的实时物理量。在加工刀具300与工件接触的瞬间，实时物理量会迅速上升。当实时物理量超过第一阈值时，则认为加工刀具300与工件接触。此时数据处理装置120通过机床控制系统200控制加工刀具300和工件之间的进给速度变为正常加工时的第二进给速度，对工件进行加工。因此，上述消空程系统，能够使得加工刀具300在较短的时间内完成空行程的进给，减少了空行程所消耗的加工时间，大大提高了加工的效率。

一个实施例中提出一种机床。该机床包括上述任意一种消空程系统，且具有上述消空程系统所具有的优点。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种消空程方法，其特征在于，包括以下步骤：

采集加工机床加工过程中的实时物理量，以及采集加工刀具与工件间的相对位移数据，将所述加工刀具与所述工件间的相对位移数据与所述实时物理量结合，可用于对整个消空程过程进行评价；

将所述实时物理量与第一阈值进行比较，并在所述实时物理量小于等于第一阈值时，控制所述机床的加工刀具和工件之间的进给速度为第一进给速度；以及

在所述实时物理量大于所述第一阈值时，控制所述加工刀具和所述工件之间的进给速度为第二进给速度；

其中，所述第二进给速度小于所述第一进给速度；

所述实时物理量为主轴电机功率、主轴电机扭矩、主轴电机的电流、切削力、切削区域的振动、切削区域的声音或切削区域的温度。

2.根据权利要求1所述的消空程方法，其特征在于，所述消空程方法还包括：

将所述实时物理量与第二阈值进行比较，并在所述实时物理量大于所述第二阈值时，控制所述加工刀具和所述工件执行第一操作；

其中，所述第二阈值大于所述第一阈值；

所述第一操作包括所述加工刀具和所述工件之间停止进给、所述加工刀具和所述工件之间的相对位置复位，以及所述加工刀具和所述工件之间停止相对转动。

3.根据权利要求1所述的消空程方法，其特征在于，所述实时物理量为加工机床的主轴电机功率；所述加工刀具与所述工件未接触时，所述主轴电机的运行功率为空转功率；

所述第一阈值为所述空转功率的1.05倍至1.4倍。

4.根据权利要求2所述的消空程方法，其特征在于，所述主轴电机在正常加工过程中的实时功率形成加工功率曲线，所述第二阈值为所述加工功率曲线中最大峰值的1.2倍至1.5倍。

5.一种消空程系统，其特征在于，包括数据采集装置、数据处理装置和信号输出装置；所述数据采集装置和所述数据处理装置相连接，所述数据处理装置和所述信号输出装置相连接；

所述数据采集装置用于采集加工机床加工过程中的实时物理量，并转换成所述数据处理装置可识别的信号模式，发送至数据处理装置；

所述数据采集装置还用于采集加工刀具与工件间的相对位移数据，将采集到的相对位移数据结合加工机床的实时物理量，可以用于对整个消空程过程的评价；

所述数据处理装置用于将所述实时物理量与第一阈值进行比较，在所述实时物理量小于等于所述第一阈值时，控制所述机床的加工刀具和工件之间的进给速度为第一进给速度；以及

在所述实时物理量大于所述第一阈值时，通过所述信号输出装置输出第一触发信号至机床控制系统，所述机床控制系统控制所述加工刀具和所述工件之间的进给速度为第二进给速度；

其中，所述第二进给速度小于所述第一进给速度；

所述实时物理量为主轴电机功率、主轴电机扭矩、主轴电机的电流、切削力、切削区域的振动、切削区域的声音或切削区域的温度。

6.根据权利要求5所述的消空程系统，其特征在于，所述数据处理装置还用于将所述实时物理量与第二阈值进行比较，在所述实时物理量大于所述第二阈值时，通过所述信号输出装置输出第二触发信号至所述机床控制系统；

所述机床控制系统检测到所述第二触发信号后，控制所述加工刀具和所述工件执行第一操作；

其中，所述第二阈值大于所述第一阈值；

所述第一操作包括所述加工刀具和所述工件之间停止进给、所述加工刀具和所述工件之间的相对位置复位，以及所述加工刀具和所述工件之间停止相对转动。

7.根据权利要求5所述的消空程系统，其特征在于，所述消空程系统还包括显示存储装置；所述显示存储装置与所述数据处理装置连接；

所述显示存储装置用于将所述实时物理量和所述加工刀具与所述工件间的相对位移数据进行显示和存储。

8.一种机床，其特征在于，包括权利要求5至7任意一项所述的消空程系统。