CN107283219B - 一种切削加工方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种切削加工方法，通过对加工过程中主轴电机的瞬时电流进行实时在线监测，并基于电机功率对切削参数(进刀量)进行实时优化计算和调整的控制。根据本发明的方法能有效提高零件加工效率，减少刀具和机床损坏，降低生产成本。本发明同时还公开了一种切削加工装置。

Description

一种切削加工方法及装置

技术领域

本发明涉及一种切削加工方法和装置，特别是涉及在执行金属切削工艺的机床上的进刀量实时调整方法和装置。

背景技术

数控切削加工是当今制造装备行业中的重要环节之一，其加工过程是以程序编制设定的切削参数，即主轴转速和进给速度等进行自动切削。在实际生产过程中对其切削参数的合理选择可节约能耗和资源、提高生产效率乃至延长刀具的使用寿命，从而提升企业经济效益和竞争力。

所谓合理的切削参数是针对特定的机床、特定的刀具和夹具、特定的加工材料在满足工件加工品质的前提下，使材料的切除率达到最大的一组切削参数。目前我国多数切削加工企业一般凭借经验、参考手册或通过试加工来选择切削参数，这种传统方法一方面在新流水线导入时为确立合适的加工条件费时费力，另一方面其结果往往难以实现加工最优化并不一定能保证最优的加工质量和最高的加工效率。

针对切削参数的选择与优化，国内外研究机构从理论、实验等方面开展了大量的研究。如专利申请公开号为CN103198186A，发明名称为“基于特征的飞机结构件切削参数优化方法”，基于特征的切削参数优化模型，基于神经网络预测加工特征的极限切削力，作为切削参数优化的约束条件，通过遗传算法对切削参数进行优化。如专利申请公开号为CN102609591A，发明名称为“一种重型机床切削参数的优化方法”，以加工工时、加工成本、加工质量和加工稳定性为优化目标，同时根据使用的机床的加工性能参数来建立优化模型对切削参数进行优化。然而第一种优化方法针对特定工件特征逐个进行参数优化成本较高不适用于较低成本的工件生产；另一方面由于被加工材料品质的波动导致软硬不均、同一型号刀具的个体差异及刀具使用后不同程度的磨损状态、加工过程中遇到通孔或前一工序加工不良导致加工余量不均等影响因素的存在，即便对切削参数进行了优化也不一定能保证该切削参数在实际加工时能达到最佳切削状态。

毕竟从理论上来说，在进行切削加工模拟计算过程中具有部分信息不可确定性，而从试验方面来说，切削加工过程中具有部分信息不可测量性，很多试验场合在实验室难以复制。甚至采用优化后的切削参数加工时还需要操作人员实时监视加工过程，并适时进行调节使得加工过程的顺利进行，避免一时切削力过大造成刀具或工件的损坏。因此，在没有有效的加工过程监测和在线调节加工参数的前提之下，无法补偿典型的制造环境的变化，想要保证加工质量的优化和加工功率的提高是比较困难的。也曾有在线调节加工参数的相关研究，如专利申请公开号为CN 2378806Y，发明名称为：“同步自动磁性钻孔装置”，利用速度传感器测量马达速度，使得进刀量能配合刀具回转速度调节大小，然而在实际生产中，根据材料、加工要求的不同，高回转速度低进刀量也是需要的，但在该方法中则无法实现。

发明内容

为了克服切削参数选定传统方法中需要基于经验知识的人为主观性以及实验室模拟优化方法对于实际加工情况的局限性，本发明提出一种切削加工参数在线自适应调整的优化方法，基于加工电流监控判断加工过程中的即时负载，据此对切削参数进行在线调整以使得加工机床以较为恒定的功率进行加工。

根据本发明的切削加工方法，包括以下步骤，对所述切削加工所消耗的功率进行实时采样获得瞬时功率；比较所述瞬时功率与合理功率是否相等，当所述瞬时功率与所述合理功率不相等时，利用所述合理功率计算出合理进刀量，其中，所述合理功率是根据切削设备的额定功率预先确定的功率值；根据所述合理进刀量调节切削进刀量。

根据本发明的切削加工方法，根据所述合理进刀量调节切削进刀量时，如果所述合理进刀量大于设备容许的最大进刀量，则将所述最大进刀量作为所述切削进刀量；如果所述合理进刀量小于所述最大进刀量且大于设备容许的最小进刀量，则将所述合理进刀量作为所述切削进刀量；如果所述合理进刀量小于所述最小进刀量，则退刀重新加工。

根据本发明的切削加工方法，根据所述合理进刀量调节切削进刀量时，若所述切削加工为精加工要求，所述切削进刀量不得大于精加工最大允许进刀量。

根据本发明的切削加工方法，对所述切削加工所消耗功率进行采样得瞬时功率的采样周期小于T，所述T＝L/(n×f)，其中n为加工回转速度(rev/min),f为进刀量(mm/rev),L为加工刀具的切削部分长度(mm)。

根据本发明的切削加工方法，利用所述合理功率计算出合理进刀量的公式如下：

P＝K×n×D²(a+b×f)×10^-6

其中，P是功率，K为材料相关参数，n为回转速度，D为工具直径，f为进刀量，a、b为预定系数。

本发明还提供了一种切削加工装置，包括主轴电机，所述主轴电机驱动刀具旋转；Z轴电机，所述Z轴电机驱动所述刀具的进刀；以及反馈控制装置，所述反馈控制装置执行上述的切削加工方法。

根据本发明的切削加工装置，其中反馈控制装置进一步包括电流检测装置，所述电流检测装置检测所述主轴电机的瞬时电流；数据计算处理装置，所述数据计算处理装置根据所述瞬时电流计算所述合理进刀量；进刀量调整装置，所述进刀量调整装置根据所述合理进刀量控制所述Z轴电机。

与现有优化技术相比，本发明提出的方法可以在其基础之上进一步优化调整。本发明通过对加工过程中主轴电机的电流变化进行实时监测，并计算调整优化的进刀量数值以达到切削过程中维持一定的加工功率，使得在加工中遇到材料较硬或难切削部分时能自动减少进刀量以保护刀具，而在遇到通孔等易切削部分时能自动增加进刀量提高加工效率。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的用于在线调节切削参数的方法的流程图；

图2是根据本发明的实施例的用于在线调节切削参数的装置的方框图。

具体实施方式

以下，结合附图，对本发明的在线调节切削参数的方法、装置进行详细说明。

图1是根据本发明的实施例的用于在线调节切削参数的方法的流程图，图2是根据本发明的实施例的用于在线调节切削参数的装置的方框图。

如图2所示，根据本发明的实施例的装置在传统加工系统的主轴电机20、Z轴伺服电机21、切削刀具22的基础之上，设有电流测量模块23、数据计算处理模块24和进刀量调整控制模块25。加工时刀具22受主轴电机20驱动旋转，受Z轴伺服电机21控制进刀量对工件进行切削加工。电流测量模块23例如是电流探头附加数据采集装置。

下面结合图1、图2对本发明的实施例进行详细说明。

如图1所示，在步骤S11，在刀具对工件进行加工之前，需确定被加工工件材料和刀具22型号以及主轴电机21型号，在这里需要确定该工件材料和刀具型号组合下推荐的回转速度n₀和进刀量f₀(例如初始转速设为2000rpm，进刀量为0.15mm/rev)、刀具直径D、电机加工时对应的合理功率P₀、加工设备的进刀量变动范围f_max和f_min。这里所说的合理功率是指保证电机充分发挥机械效率并且达到节能效果的功率，通常来说是额定功率的一定比例，例如80％。

在步骤S12，在刀具以切削速度V₀和进刀量f₀对工件进行加工期间，电流测量装置对加工中主轴电机的电流变化有效值I(A)进行测量，采样周期需小于60L/(n×f)，其中n为加工回转速度(rev/min)，f为进刀量(mm/rev)，L为加工刀具的切削部分长度(mm)。在本实施例中加工刀具的切削部分长度为5mm，取样周期需小于1s，例如选取样周期为2ms。

电压电流和功率之间有以下关系式：P(KW)＝1000IU，U为电压(V)；根据S12中实测的电流有效值可计算得出瞬时功率P_c。

在步骤S14对S13中计算得出瞬时功率P_c与该电机对应的合理功率P₀进行评价，判断两者是否相等。若实测瞬时功率P_c等于合理功率P₀，则不对刀具的进刀量做出调整，进入步骤S22；若实测功率P_c不等于合理功率P₀，则进入步骤S15。

在步骤S15中判断实测瞬时功率P_c是否小于合理功率P₀，如果判断为否，则转到步骤S16，如果判断为是，则转到步骤S17。

在步骤S16和步骤S17中利用公式计算出合理功率P₀对应的进刀量f。

这里，需事先建立切削参数与电机加工功率对应关系的数学模型。建立数学模型的方法如下：

首先，确定加工工件材料，刀具型号及加工要求并选择预设的加工参数及约束条件，包括以下操作：确定预设转速及进刀量；确定该加工质量要求下的进刀量约束；确定机床的进刀量的变动范围；

其次，开始加工并记录主轴电机加工功率变化，此处采样周期取值需小于60L/(n×f)，n为加工回转速度(rev/min)，f为进刀量(mm/rev)，L为加工刀具的切削部分长度(mm)。

最后，建立切削参数与电机加工功率对应关系的数学模型，例如：

P(KW)＝K×n×D²(a+b×f)×10^-6 (1)

其中K为材料相关参数，n为回转速度(rev/min)，D为工具直径(mm)，f为进刀量(mm/rev)，a、b为预备实验确定的、与刀具相关的系数。以钻削为例，拟合所得功率计算公式为P(KW)＝K×n×D²(0.647+17.29×f)×10^-6，因此，在合理功率P₀、材料相关参数K、回转速度n以及工具直径D已知的情况下，可以计算出对应的进刀量f。

条件式(1)是根据上述方法建立的数学模型的一个实例，本领域技术人员可以理解，通过数学拟合方式获得的切削参数与电机加工功率对应关系不局限于条件式(1)的形式。

在计算出合理功率P₀对应的进刀量f之后，对进刀量进行调整，但是考虑到加工系统对于进刀量的数值有限制，因此根据本发明的方法进一步还可以包括以下步骤。

在步骤S18判定步骤S17计算所得的进刀量f值是否小于等于该加工设备允许的最大进刀量f_max，如果进刀量f值小于等于该加工设备对应最大进刀量f_max，则在步骤S20中将进刀量数值f输入数控加工系统，对进刀量进行调整；如果进刀量f值大于该加工设备对应最大进刀量f_max，则在步骤S21将进刀量调整为最大进刀量f_max。

可选择的，如果对加工质量有要求(如表面精度要求)，则在步骤S18中的判断基准可以改为判断进刀量f值是否小于等于该加工要求的最大进刀量值f_精，如果进刀量f值小于等于该加工要求的最大进刀量值f_精，则在步骤S20中将进刀量数值f输入数控加工系统，对进刀量进行调整；如果进刀量f值大于该加工要求的最大进刀量值f_精，则在步骤S21中将进刀量数值f_精输入数控加工系统，对进刀量进行调整。

在步骤S19中判定步骤S16计算出调节加工功率P_c至合理功率P₀对应的进刀量f是否大于等于该加工设备对应最小进刀量f_min，如果进刀量f值大于等于该加工设备对应该加工设备设定最小进刀量f_min，则在步骤S20中将进刀量数值f输入数控加工系统，对进刀量进行调整；如果进刀量f值小于该加工设备对应该加工设备设定最小进刀量f_min，则说明当前电机的功率范围已超出可调控范围，可能发生切屑缠绕等异常情况，需停止加工清洗工件并检查刀具是否发生破损。

在对刀具的进刀量做出调整之后，在步骤S22中判定是否有加工结束指令，如果有加工结束指令，则结束加工，如果没有则重复以上步骤，重新取样直至加工结束指令出现结束加工。

回到图2，通过电流测量模块23采集瞬时电流，从而能够计算出瞬时功率，经过数据计算处理模块24的处理，计算出合理的进刀量。经由进刀量调整控制模块25对Z轴伺服电机21进行控制，从而调整刀具的进刀量。

本发明通过对加工过程中的进刀量实行反馈控制，使得切削过程中维持一定的加工功率，从而在加工中遇到材料较硬或难切削部分时能自动减少进刀量以保护刀具，而在遇到通孔等易切削部分时能自动增加进刀量提高加工效率。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，但并不是用来限定本发明，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可以作少许的改动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求所界定的为准。

Claims (5)

1.一种切削加工方法，其特征在于，包括以下步骤，

对切削加工所消耗的功率进行采样获得瞬时功率；

比较所述瞬时功率与合理功率是否相等，当所述瞬时功率与所述合理功率不相等时，利用所述合理功率计算出合理进刀量，其中，所述合理功率是根据切削设备的额定功率预先确定的功率值；

根据所述合理进刀量调节切削进刀量；

其中，对所述切削加工所消耗功率进行采样得瞬时功率的采样周期小于T，所述T＝60L/(n×f)，其中n为加工回转速度，rev/min；f为进刀量，mm/rev；L为加工刀具的切削部分长度，mm；

其中，利用所述合理功率计算出所述合理进刀量的公式如下：

P＝K×n×D²(a+b×f)×10^-6，

其中，P是功率，W；K为材料相关参数；n为回转速度，rev/min；D为加工刀具直径，mm；f为进刀量，mm/rev；a、b为预定系数。

2.如权利要求1所述的切削加工方法，其特征在于，

根据所述合理进刀量调节切削进刀量时，如果所述合理进刀量大于所述切削设备容许的最大进刀量，则将所述最大进刀量作为所述切削进刀量；如果所述合理进刀量小于所述最大进刀量且大于所述切削设备容许的最小进刀量，则将所述合理进刀量作为所述切削进刀量；如果所述合理进刀量小于所述最小进刀量，则退刀重新加工。

3.如权利要求1所述的切削加工方法，其特征在于，根据所述合理进刀量调节切削进刀量时，若所述切削加工为精加工要求，所述切削进刀量不得大于精加工最大允许进刀量。

4.一种切削加工装置，其特征在于，包括

主轴电机，所述主轴电机驱动刀具旋转；

Z轴电机，所述Z轴电机驱动所述刀具的进刀；以及

反馈控制装置，所述反馈控制装置执行如权利要求1至3中任一项所述的方法。

5.如权利要求4所述的切削加工装置，其特征在于，所述反馈控制装置进一步包括

电流检测装置，所述电流检测装置检测所述主轴电机的瞬时电流；

数据计算处理装置，所述数据计算处理装置根据所述瞬时电流计算所述合理进刀量；

进刀量调整装置，所述进刀量调整装置根据所述合理进刀量控制所述Z轴电机。

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