CN107932186A - 一种基于加工坐标对齐参考信号的刀具状态识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于加工坐标对齐参考信号的刀具状态识别方法，在刀具进行加工的过程中，对刀具进行实时监控，在每一个加工位置都会产生一个相应的实时监控信号，每一个加工位置对应有参考信号，将实时监控信号与参考信号进行对比来识别刀具状态。本发明的有益效果是：本发明能够在刀具参与的整个加工过程中都能够实时监测刀具的状态，避免加工中断、加工暂停等情况导致监控失效，能够防止加工中断、加工暂停等情况下发生误报警。
Description
技术领域
本发明涉及机械加工领域，具体的说，是一种基于加工坐标对齐参考信号的刀具状态识别方法。
背景技术
在金属切削加工中，刀具是一个消耗品，它随着使用时间的延长逐渐磨损甚至破损、断裂。同时，刀具是工艺系统的关键组成部分之一，刀具的过渡磨损、破损将降低加工零件的尺寸精度及表面质量，甚至导致零件报废(例如：刀刃破损后导致零件烧伤)。因此，加工过程中，需要时时关注刀具的状态，在其磨损到一定程度时及时更换。
直至目前，多数生产过程中，刀具的使用时长主要依靠经验来判断，人为因素影响大，对一些异常情况难以及时响应。
在数控车削、铣削、钻削等加工中，切削过程已经自动化，为减少人工干预、准确判断刀具状态，迫切需要一套刀具监控系统对刀具状态进行实时监控，当刀具磨损到一定程度或破损时，可自动、及时地停止加工，以保证零件的加工质量。
针对此需求，国外已出现了一些商品化的刀具监控系统，例如较著名的德国ARTIS刀具监控系统、以色列OMATIVE自适应控制系统等。这些监控系统原理类似，都是通过实时监测加工过程中的主轴扭矩、振动等物理信号来间接监测刀具状态，当监测信号达到设定的刀具磨损、破损极限时，立即报警并停止机床运行，从而保护零件和机床。
以ARTIS为例，它主要提供了以下两种刀具状态识别方式：
①Standard模式：通过对前两次加工进行学习(记录信号)来确定放大系数和参考曲线，之后将每次加工的信号曲线与参考曲线进行对比来判断刀具状态，适用于钻孔、攻丝等简单、大批量加工过程。
②dx/dt模式：与Standard模式完全不同，dx/dt模式是采集一段时间内的信号来确定上下动态极限(动态极限随实际采集信号曲线上升/下降)，通过动态极限来识别后续加工中刀具磨损、破损引起的快速信号变化，适用于加工时间长、加工过程稳定的单件、小批量零件加工过程。
ARTIS在汽车生产流水线中的一些简单工艺过程(例如钻孔)上已经得到了成熟应用，但是在一些复杂的工艺过程中，其刀具状态识别易受工艺波动的影响而导致频繁误报警，从而打断正常的生产过程。
以航空结构件数控铣削加工为例，其材料切除率高(通常在90％以上，可高达96％)、加工时间长(最长可达60天)，多数工步中需要暂停加工、更换刀具(特别是钛合金等难加工材料，刀具寿命只有几十分钟)；此外，航空结构件加工批量小(通常一批次只有几件)，实际生产中，每台机床上加工的零件变化大。
若采用standard模式，学习量太大，且加工批量小，监控意义大打折扣；更重要的是加工工艺或加工进程的微小变化均会导致监控失效，而目前加工进程在航空结构件数控加工中尚难以严格控制。
若采用dx/dt模式，要求加工过程稳定，学习时间段内的加工信号与整个加工过程一致，而航空结构件加工工艺复杂，多数工步中都存在加工状态的变动，极易导致误报警。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于加工坐标对齐参考信号的刀具状态识别方法，用于在刀具进行加工的过程中对刀具进行实时监控，能够与加工时间统一、有利于实现长期实时监控。
本发明通过下述技术方案实现：一种基于加工坐标对齐参考信号的刀具状态识别方法，在刀具进行加工的过程中，对刀具进行实时监控，在每一个加工位置都会产生一个相应的实时监控信号，每一个加工位置对应有参考信号，将实时监控信号与参考信号进行对比来识别刀具状态。以此在刀具参与的整个加工过程中都能够实时监测刀具的状态，避免加工中断、加工暂停、切削速度发生变化等情况导致监控失效，能够防止加工中断、加工暂停、切削速度发生变化等情况下发生误报警。
所述的识别刀具状态采用以下公式进行识别：
Pmax＝(1+μ)×Pi (1)；
使P与Pmax进行比较，其中：
Pmax为当前加工位置的信号极限值；
Pi为当前加工位置的参考信号值；
P为当前加工位置的实时监控信号值；
μ为允许的监控信号上升比例。
所述的μ大于等于-0.2且小于等于0.2。
所述的参考信号为切削力、振动信号、主轴电机功率、切削温度、电流信号、热电压、微结构导电镀层电阻等中的一种或多种。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
本发明能够在刀具参与的整个加工过程中都能够实时监测刀具的状态，避免加工中断、加工暂停等情况导致监控失效，能够防止加工中断、加工暂停等情况下发生误报警。
附图说明
图1为实时监控信号与参考信号的对比示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
如图1所示，本实施例中，一种基于加工坐标对齐参考信号的刀具状态识别方法，在刀具进行加工的过程中，对刀具进行实时监控，在每一个加工位置都会产生一个相应的实时监控信号，每一个加工位置对应有参考信号，将实时监控信号与参考信号进行对比来识别刀具状态。
现有的识别的方法在加工中断或加工暂停时，由于检测不到加工的信号而会报警。在每一个加工位置进行监控并产生实时监控信号，实现了基于坐标对齐的方式进行监控，以此在刀具的每一个坐标位置都能够产生相应的实时监控信号，在加工中断、加工暂停时，刀具突然停止移动而导致不再产生实时监控信号，实时监控信号与参考信号的对比也随即停止，从而不会出现误报警的现象。
实施例2：
在上述实施例的基础上，本实施例中，所述的识别刀具状态采用以下公式进行识别：
Pmax＝(1+μ)×Pi (1)；
使P与Pmax进行比较，其中：
Pmax为当前加工位置的信号极限值；
Pi为当前加工位置的参考信号值；
P为当前加工位置的实时监控信号值；
μ为允许的监控信号上升比例。本实施例中，所述的μ大于等于-0.2且小于等于0.2。其根据具体的工艺过程进行选择。
实施例3：
在上述实施例的基础上，本实施例中，所述的参考信号为切削力、振动信号、主轴电机功率、切削温度、电流信号、热电压、工件表面粗糙度、微结构导电镀层电阻等中的一种或多种。
所述的切削力采用测力传感器进行检测。刀具在切削过程中，切削力的增长速率与刀具磨损速率成线性关系。在正常磨损过程中，切削力的增长速率保持恒量。当切削力增长速率变大时，刀具的磨损速率也将变大，表明刀具开始进入剧烈的磨损阶段。以此为依据可以对刀具的磨损进行监测。利用测力传感器，可以测量切削力的变化。随着刀具磨损的加剧，切削力也会产生相应的变化，从而可以间接地检测到刀具的磨损状态。该法的优点是具有较好的抗干扰能力和较高的识别精度，能够实现在线检测以及实时监测。
所述的振动信号采用振动传感器进行检测。振动信号被认为是对刀具磨损，破损敏感度较高的一种，它与切削力、切削系统本身的动态性密切相关，检测振动加速度是目前较常采用的一种监测方法，在振动工程中使用更为普遍，其具有传感器安装方便，测量信号易于引出，测试仪器简单等特点，能够实现在线检测以及实时监测。
所述的主轴电机功率采用功率传感器进行检测。利用切削加工时机床主运动电动机的功率信号监控刀具的状态，当刀具在加工过程中发生磨损破损或其它失效时，会引起驱动电动机的功率发生变化，从而能够判断刀具状态的变化。通常采用将功率传感器串接到机床的驱动电路中的方法来测量主轴的功耗，也能够测量进给系统的功耗，或者两者同时测量。该方法具有信号检测方便，可以避免切削环境中切屑、油、烟、振动等因素的干扰，易于安装。
所述的切削温度采用采用温度传感器或热电偶进行检测。通过将温度传感器或热电偶嵌入刀具能够在加工过程中实时检测刀具的温度。
所述的电流信号为电动机的定子电流信号。随着刀具磨损的增大，切削力矩增大，机床所消耗的功率增大或电动机的电流上升，从而能够实现在线地检测刀具磨损。
所述的热电压采用热电压测量法进行检测。热电压测量法利用热电效应原理，即两种不同导体的接触点在受热时，将在两导体的另一端之间产生一个电压，这个电压的大小取决于导体的电特性及接触点与自由端之间的温度差。当刀具和加工工件是由不同的材料构成时，在刀具与工件之间就可以产生一个与切削温度相关的热电压。这个电压就可以作为刀具磨损量的一个度量，因为随着刀具磨损量的增大，热电压也随之增大。
将微结构导电镀层同刀具的耐磨保护层结合在一起。微结构导电镀层的电阻随着刀具磨损状态的变化而变化，磨损量越大，电阻就越小。当刀具出现崩齿、折断及过度磨损等现象时，电阻趋于零。该方法的优点是检测电路简单，检测精度高，能够实现在线检测。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于加工坐标对齐参考信号的刀具状态识别方法，其特征在于：在刀具进行加工的过程中，对刀具进行实时监控，在每一个加工位置都会产生一个相应的实时监控信号，每一个加工位置对应有参考信号，将实时监控信号与参考信号进行对比来识别刀具状态。
2.根据权利要求1所述的一种基于加工坐标对齐参考信号的刀具状态识别方法，其特征在于：所述的识别刀具状态采用以下公式进行识别：
Pmax＝(1+μ)×Pi (1)；
使P与Pmax进行比较，其中：
Pmax为当前加工位置的信号极限值；
Pi为当前加工位置的参考信号值；
P为当前加工位置的实时监控信号值；
μ为允许的监控信号上升比例。
3.根据权利要求2所述的一种基于加工坐标对齐参考信号的刀具状态识别方法，其特征在于：所述的μ大于等于-0.2且小于等于0.2。
4.根据权利要求1、2、3中任一项所述的一种基于加工坐标对齐参考信号的刀具状态识别方法，其特征在于：所述的参考信号为切削力、振动信号、主轴电机功率、切削温度、电流信号、热电压、微结构导电镀层电阻等中的一种或多种。
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