CN107450481B - 一种数控机床切削速度优化方法 - Google Patents
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Abstract
一种数控机床切削速度优化方法，包括：主轴电机电流周期采集；主轴电机电流分析与干扰去除；主轴电机驱动电流与切削力映射，驱动电流动态调整。本发明采集主轴电机电流变化情况，通过切削力与电流映射关系，根据最优切削速度动态调整变频器电流大小，使切削速度动态的保持实时最优，解决不同机床、不同加工材料下设置合理切削速度的问题，延长刀具寿命、提高切削效率和加工效果。
Description
【技术领域】
本发明属于数控机床技术领域，具体是指一种数控机床切削速度优化方法。
【背景技术】
数控机床是数字控制机床(Computer numerical control machine tools)的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品。
传统切削方式下，切削速度总是根据选择好的切削深度和进给速度，在保证刀具合理耐用度的条件下，选择一个较为合理的值，这是因为切削速度对刀具耐用度有着十分明显的影响，一般情况下提高切削速度就会使刀具耐用度大大降低。而根据Salomon高速加工理论可知，当切削速度提高到一定值时，影响刀具耐用度的切削热和切削力都有不同程度的降低，从而在一定程度上改善切削条件。确定适合的切削速度对高速加工非常重要，但是由于在使用不同机床、不同刀具材料在切削不同加工材料时的切削速度都有不同选择，所以目前只有一些可供参考的高速加工工艺参数，切削速度的设置还是依赖于熟练工的经验，设置不当容易降低刀具寿命，影响切削效率和加工效果。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题在于提供一种数控机床切削速度优化方法，采集主轴电机电流变化情况，通过切削力与电流映射关系，根据最优切削速度动态调整变频器电流大小，使切削速度动态的保持实时最优，解决不同机床、不同加工材料下设置合理切削速度的问题，延长刀具寿命、提高切削效率和加工效果。
本发明是这样实现的：
一种数控机床切削速度优化方法，包括如下步骤：
步骤1：主轴电机电流周期采集；
步骤2：主轴电机电流分析与干扰去除；
步骤3：主轴电机驱动电流与切削力映射，驱动电流动态调整。
进一步地，所述步骤1，具体包括：
用自主采集方式，以周期τ采集主轴电机驱动电流，通过霍尔电流传感器进行周期采集，同时也周期性的从变频器中读取主轴电机功率。
进一步，所述步骤2，具体包括：
对采集的电流信号进行小波分解，以确定原始电流信号中存在的干扰成分，提取信号中因切削产生的信号特征，去除原始电流信号中的高低频干扰部分，并且分离电流信号中常值部分和时变部分；去除进给系统惯性力引起的电流成分；去除摩擦力引起的电流成分；在电流常值中减去这两部分电流值，即提取因切削力常值部分相关的电流成分。
进一步地，所述步骤3，具体包括：
去除干扰的主轴电机驱动电流经交-直流转换，再经模拟量-数字量转化处理后输入到计算机，由系统软件将电流映射为切削力，完成从电流信号到切削力信号的转化；利用刀具切削速度临界值、主轴功率和切削力之间的关系，切削力在最优切削力区间，则不作调整，继续保持当前加工参数，如果切削力不在最优切削力区间，则以最优切削力区间中间值作为优化目标，并根据切削力优化差值来调整主轴变频器输出电流，调整后切削速度即可达到优化切削速度。
本发明的优点在于：1、本发明根据切削过程主轴电机电流变化情况，来判断切削力的变化情况，根据切削速度优化算法动态调整主轴变频器输出电流值，从而实现对主轴电机转速的控制，优化切削速度。采用电机电流间接监测切削力的方式成本很低，同时电流传感器安装方便，不需要机床结构的改变。2、本发明提出的方法能够根据实际加工材料在加工过程中对主轴电机作用力，形成闭环控制，无需人工干预，动态优化切削速度，达到提高切削效率和加工效果，延长刀具寿命的目的。3、对加工过程中的驱动电流实时采集，可以根据实际切削力的大小实时的调整驱动电流大小，设定更为优化的切削速度，使机床持续运行在较高的负荷下，从而机床的性能得以更加充分的发挥，最终提高加工效率。4、在实际的加工过程中难免会发生过载现象，过载非常容易引起刀具及工件的损坏，严重时甚至造成机床的损伤。通过对加工过程中的驱动电流进行实时监测，可以在过载发生的初期，通过改变加工参数或直接终止加工来避免过载的影响。
【附图说明】
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的描述。
图1是本发明的方法系统流程图。
图2是本发明的主轴电机电流分析与干扰去除流程图。
图3是本发明的主轴电机驱动电流与切削力映射与动态调整流程图。
【具体实施方式】
一种数控机床切削速度优化方法，如图1所示，为一种数控机床切削速度优化方法系统流程图，具体主要包括以下三个步骤：
步骤1：周期采集数控机床主轴电机相关参数，包括主轴电机驱动电流、主轴电机功率；主轴电机驱动电流通过霍尔电流传感器进行周期采集，主轴电机功率直接从变频器中读取；
步骤2：对采集的电流信号进行小波分解，以确定原始电流信号中存在的干扰成分。如图2所示，是本发明的主轴电机电流分析与干扰去除流程图。
定义Morlet小波函数序列为
ψa,b(t)＝a-1/2ψ((t-b)/a),a∈R,a＞0,b∈R (1)
式中：
a为尺度因子
b为时间平移参数
ψa,b(t)中的a-1/2为归一化系数
令电流信号为I(t)，则由式(1)可得小波变换为
小波变换能把信号分解成不同的频率成分。由于采集的电流信号包含高低频干扰部分、进给系统惯性力引起的电流成分以及摩擦力引起的电流成分，使得有用信号淹没在这些噪声中。
利用小波函数对主轴电流信号进行滤波消噪处理，去掉电流信号中的高低频干扰部分，然后进行小波多分辨率分解，可得各层小波系数，随后利用各层高频小波系数和最低层低频尺度系数进行重构，随着尺度因子的减小，原始信号的频带逐层细分，局部时间段内各频带所包含的电流信号成分将清晰展现出来。
随后，去除进给系统惯性力引起的电流成分；
去除摩擦力引起的电流成分；
在电流常值中减去这两部分电流值，即提取因切削力常值部分相关的电流成分；
步骤3：主轴电机驱动电流与切削力映射，驱动电流动态调整。如图3所示，为主轴电机驱动电流与切削力映射与动态调整流程图，其具体步骤为：
交-直流转换：提取出因切削力常值部分相关的驱动电流成分后，将交流电转换为直流电；
模拟量-数字量转换：将直流电模拟量信号通过A/D转换，转变为数字量信号，并输入计算机系统，待后续处理使用；
将驱动电流映射为切削力：驱动电流映射为切削力采用常系数方式，令驱动电流大小为I，对应的切削力为T，则切削力与驱动电流之间存在关系式：
T＝kI，其中k为常数。
此时，已经得到了当前主轴电机驱动电流作用到刀具的切削力的大小，以及主轴功率大小，由主轴功率判断出当前所处加工为高速加工还是低速加工阶段，并且选择对应的切削力与切削速度曲线，通过查询切削力与切削速度曲线，可以判断当前切削力是否处于最优切削力区间，如果当前切削力位于最优切削力区间时则不作调整，继续保持当前加工参数，如果切削力不在最优切削力区间，则以最优切削力区间中间值作为优化目标，并根据切削力优化差值来调整主轴变频器输出电流，调整后切削速度即可达到优化切削速度。然后周期性的执行上述三个步骤，达到优化数控机床切削速度的目的。
本发明根据切削过程主轴电机电流变化情况，来判断切削力的变化情况，根据切削速度优化算法动态调整主轴变频器输出电流值，从而实现对主轴电机转速的控制，优化切削速度。采用电机电流间接监测切削力的方式成本很低，同时电流传感器安装方便，不需要机床结构的改变。本发明提出的方法能够根据实际加工材料在加工过程中对主轴电机作用力，形成闭环控制，无需人工干预，动态优化切削速度，达到提高切削效率和加工效果，延长刀具寿命的目的。对加工过程中的驱动电流实时采集，可以根据实际切削力的大小实时的调整驱动电流大小，设定更为优化的切削速度，使机床持续运行在较高的负荷下，从而机床的性能得以更加充分的发挥，最终提高加工效率。在实际的加工过程中难免会发生过载现象，过载非常容易引起刀具及工件的损坏，严重时甚至造成机床的损伤。通过对加工过程中的驱动电流进行实时监测，可以在过载发生的初期，通过改变加工参数或直接终止加工来避免过载的影响。
以上所述仅为本发明的较佳实施用例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种数控机床切削速度优化方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：主轴电机电流周期采集；具体包括：
周期采集数控机床主轴电机相关参数，包括主轴电机驱动电流、主轴电机功率；主轴电机驱动电流通过霍尔电流传感器进行周期采集，主轴电机功率直接从变频器中读取；
步骤2：主轴电机电流分析与干扰去除；具体包括：
对采集的电流信号进行小波分解，以确定原始电流信号中存在的干扰成分；
定义Morlet小波函数序列为
ψa,b(t)＝a-1/2ψ((t-b)/a),a∈R,a＞0,b∈R (1)
式中：
a为尺度因子，
b为时间平移参数，
ψa,b(t)中的a-1/2为归一化系数，ψ(t)表示t时刻的母小波函数或基小波函数，
令电流信号为I(t)，则由式(1)可得小波变换为
小波变换能把信号分解成不同的频率成分；WψI(a,b)表示在t时刻，电流为I(t)、尺度因子为a、时间平移参数为b下、利用归一化系数a-1/2、采用Morlet小波函数对电流信号作小波变换的值；
利用小波函数对主轴电流信号进行滤波消噪处理，去掉电流信号中的高低频干扰部分，然后进行小波多分辨率分解，可得各层小波系数，随后利用各层高频小波系数和最低层低频尺度系数进行重构，随着尺度因子的减小，原始信号的频带逐层细分，局部时间段内各频带所包含的电流信号成分将清晰展现出来；
随后，去除进给系统惯性力引起的电流成分；
去除摩擦力引起的电流成分；
在电流常值中减去这两部分电流值，即提取因切削力常值部分相关的电流成分；
步骤3：主轴电机驱动电流与切削力映射，驱动电流动态调整；具体包括：
交-直流转换：提取出因切削力常值部分相关的驱动电流成分后，将交流电转换为直流电；
模拟量-数字量转换：将直流电模拟量信号通过A/D转换，转变为数字量信号，并输入计算机系统，待后续处理使用；
将驱动电流映射为切削力：驱动电流映射为切削力采用常系数方式，令驱动电流大小为I，对应的切削力为T，则切削力与驱动电流之间存在关系式：
T＝kI，其中k为常数；
此时，已经得到了当前主轴电机驱动电流作用到刀具的切削力的大小，以及主轴功率大小，由主轴功率判断出当前所处加工为高速加工还是低速加工阶段，并且选择对应的切削力与切削速度曲线，通过查询切削力与切削速度曲线，判断当前切削力是否处于最优切削力区间，如果当前切削力位于最优切削力区间时则不作调整，继续保持当前加工参数，如果切削力不在最优切削力区间，则以最优切削力区间中间值作为优化目标，并根据切削力优化差值来调整主轴变频器输出电流，调整后切削速度达到优化切削速度。
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