CN108115206A

CN108115206A - 利用切削刀具对工件进行加工的方法、控制装置和系统

Info

Publication number: CN108115206A
Application number: CN201611070845.3A
Authority: CN
Inventors: 倪浩天
Original assignee: Hitachi Automotive Systems China Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Automotive Systems China Ltd
Priority date: 2016-11-29
Filing date: 2016-11-29
Publication date: 2018-06-05
Anticipated expiration: 2036-11-29
Also published as: CN108115206B

Abstract

一种利用切削刀具对工件进行加工的方法、控制装置和系统，切削刀具受电机驱动，电机的电流值被测量，该方法包括：a)判断切削刀具是否被更换，如果是，则进入步骤b)，否则进入步骤d)；b)对当前电流值进行采样并存储；c)判断加工是否结束，如果是，则进入步骤h)，如果否，则返回步骤b)；d)对当前电流值进行采样并存储；e)根据当前电流值以及存储的对应电流值，计算当前电流值变化率；f)判断当前电流值变化率是否大于等于预定阈值，如果是，则进入步骤h)，否则进入步骤g)；g)判断加工是否结束，如果是，则进入步骤h)，否则返回步骤d)；h)使切削刀具停止加工。

Description

利用切削刀具对工件进行加工的方法、控制装置和系统

技术领域

本发明涉及利用切削刀具对工件进行加工的方法、控制装置和系统。

背景技术

近30多年来，随着自动化加工技术的发展，数控机床、加工中心等应用日益广泛。数控切削加工已成为当今制造装备行业中的重要环节之一。为了充分发挥机床设备的效能，保证产品的质量和设备的安全，对切削刀具破损前的预警系统的研发就显得越来越重要。机床中使用的切削刀具，有时因切屑缠绕、堵塞等产生切削刀具异常，而这种异常可能会导致机床损坏、切削刀具折损或者被加工件的加工不良。尤其是在现代化生产中，往往使用多把切削刀具长时间连续加工一个工件，在前工序粗加工中发生不良后，极有可能引起后续一系列精加工刀具的损坏，因此有必要提出监视切削刀具状态、预报切削刀具加工异常的方法来及时发现加工中发生的早期异常。迄今为止，国内外虽已有许多切削刀具破损的报警系统得到实用，但还有诸多不足之处。

例如，作为一个方法，存在使用对切削刀具进行驱动的电机电流波形来检测切削刀具异常的产生的方法。如图1,显示了电机的加工电流随时间变化的示意图，其中，电机的加工电流在加工初期呈现较大的启动电流，然后空转而呈现稳定的低电流值，随后，当切削刀具和工件接触开始加工时，电流波形反映了切削刀具的加工负荷状况，之后加工结束时又会呈现较大的停车电流。如图1所示，针对加工负荷设定一定的阈值，当实际的加工电流不超过该阈值时判定切削刀具加工正常，当实际的加工电流超过该阈值时判定切削刀具加工异常(如日本特许3291677号公报、中国实用新型公开号204705884U)。然而，这里存在的问题是，加工电流波形高低不一，如若使用单一阈值则不能有效地检出电流波形低位处异常；如若针对不同区域设置多个阈值，则实际应用时又比较繁琐，难以实际运用。

在上述方法基础之上，还存在一些改进的方法。公知主轴电机的电流值伴随着切削刀具的磨损而逐渐变大，因此实际运用时需要设定较大的阈值以防止误报。如图2，显示了电机的加工电流随时间变化的示意图，其中，首先采集大量的电流波形数据，并比较每个数据点的统计数据值，以得出在切削刀具整个生命周期中该点的最大值和最小值，将一个加工循环中每一点的最大值组成电流的波形上限，将一个加工循环中每一点的最小值组成电流的波形下限，这样在实际加工中，当加工电流的波形超出该波形上限或波形下限时，判定为刀具加工异常(如日本特许4441735号公报)。这种方法能避开阈值设定的弊端，使得切削刀具异常的判定更为精确，但由于实际生产中切削刀具个体间存在一定差异，很难保证同一批切削刀具的电流波形上下限完全重合，这意味着在实际应用过程中需要采集大量的数据以统计出合理的上下限。另一方面，如果某一切削刀具的新品状态的电流波形恰好位于电流波形下限处，那么很有可能在该切削刀具出现加工异常时电流值也未超过设定的上限，故而不能及时有效地发出警报。

发明内容

为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种利用切削刀具对工件进行加工的方法，所述切削刀具受电机驱动，所述电机的电流值被测量，该方法包括：

a)判断所述切削刀具是否被更换，如果是，则进入步骤b)，否则进入步骤d)；

b)对在当前采样时间测量到的所述电机的当前电流值进行采样，并进行存储；

c)判断对所述工件的加工是否结束，如果是，则进入步骤h)，如果否，则将下一个采样时间作为所述当前采样时间，并返回步骤b)；

d)对在当前采样时间测量到的所述电机的当前电流值进行采样，并进行存储；

e)根据所述当前电流值以及存储的对应电流值，计算当前电流值变化率，所述对应电流值是在对前一个工件进行加工期间、在与所述当前采样时间相对应的采样时间所采样的所述电机的电流值；

f)判断所述当前电流值变化率是否大于等于预定阈值，如果是，则进入步骤h)，否则进入步骤g)；

g)判断对所述工件的加工是否结束，如果是，则进入步骤h)，否则将下一个采样时间作为所述当前采样时间，并返回步骤d)；

h)使所述切削刀具停止对所述工件进行加工。

如此，可以更精确地判断出切削刀具的异常，并在切削刀具出现异常时，立刻停止对工件的加工处理。

所述切削刀具具有特征值，根据所述特征值来判断所述切削刀具是否被更换。如此，可以根据特征值的变化来判断切削刀具是否被更换。

所述当前采样时间和所述下一个采样时间之间的时间间隔是固定的。

根据以下等式1)来计算所述当前电流值变化率，

其中，R表示所述当前电流值变化率，I表示所述当前电流值，I’表示所述对应电流值。

在步骤f)中，如果判断所述当前电流值变化率大于等于预定阈值，则在步骤h)之前进一步包括将所述当前电流值作为异常电流值进行存储的步骤。

如此，可以获得异常电流值，用于后续的分析处理。

本发明还提供一种利用切削刀具对工件进行加工的控制装置，所述切削刀具受电机驱动，所述电机的电流值被测量，该控制装置包括：

刀具更换判断单元，用于判断所述切削刀具是否被更换；

采样存储单元，用于对在当前采样时间测量到的所述电机的当前电流值进行采样，并进行存储；

计算单元，当所述刀具更换判断单元判断出所述刀具被更换时，所述计算单元根据所述当前电流值以及存储的对应电流值，计算当前电流值变化率，所述对应电流值是在对前一个工件进行加工期间、在与所述当前采样时间相对应的采样时间所采样的所述电机的电流值；

变化率判断单元，用于判断所述当前电流值变化率是否大于等于预定阈值；

加工结束判断单元，当所述刀具更换判断单元判断出所述刀具未被更换或者所述变化率判断单元判断出所述当前电流值变化率小于所述预定阈值时，所述加工结束判断单元判断对所述工件的加工是否结束，如果是，则进入停止单元，否则将下一个采样时间作为所述当前采样时间，并返回所述采样存储单元；

停止单元，当所述变化率判断单元判断出所述当前电流值变化率大于等于所述预定阈值、或者所述加工结束判断单元判断出所述工件的加工结束时，所述停止单元使所述切削刀具停止对所述工件进行加工。

进一步，本发明还提供一种利用切削刀具对工件进行加工的系统，该系统包括：

电机；

切削刀具，所述切削刀具受电机驱动，对工件进行加工；

如上所述的控制装置，

电流测量装置，在所述切削刀具对所述工件进行加工期间，所述电流测量装置对所述电机的电流值进行测量；

所述控制装置对所述电流测量装置测量到的所述电流值进行采样和存储，并判断是否使所述切削刀具停止对所述工件的加工。

利用本发明的上述方法、控制装置和系统，可以在切削刀具出现异常时，立刻停止对工件的加工处理，避免被加工件的加工不良，同时可以避免机床损坏、切削刀具折损等等的不利结果。

附图说明

图1是先有技术中判断加工电流异常的示意图；

图2是先有技术中判断加工电流异常的另一个示意图；

图3是根据本发明的利用切削刀具对工件进行加工的系统的结构图；

图4是根据本发明的利用切削刀具对工件进行加工的控制装置的结构图；

图5是根据本发明的利用切削刀具对工件进行加工的方法的流程图；

图6是根据本发明的利用切削刀具对工件进行加工的方法所判断出加工异常的电流示意图。

图7是在出现图6的加工异常之后，继续加工下一个工件的过程中的电流示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施例进行详细说明。

图3是根据本发明的利用切削刀具对工件进行加工的系统的结构图，该系统包括电机31、切削刀具32、电流测量装置33和控制装置34。切削刀具32受电机31驱动，对工件进行加工。在切削刀具32对工件进行加工期间，电流测量装置33一直对电机31的加工电流值进行测量，本例中，电流测量装置33例如是电流计。控制装置34对电流测量装置33测量到的电流值进行采样和存储，并判断是否使切削刀具32停止对工件的加工。

下面结合图4和图5，详细说明控制装置34的操作。

图4是根据本发明的利用切削刀具对工件进行加工的控制装置的结构图，图5是根据本发明的利用切削刀具对工件进行加工的方法的流程图。如图4所示，控制装置34包括刀具更换判断单元341、采样存储单元342、计算单元343、变化率判断单元344、加工结束判断单元345、停止单元346。

参见图5，在步骤S51，刀具更换判断单元341判断切削刀具32是否被更换。切削刀具32具有特征值，刀具更换判断单元341根据特征值来判断切削刀具32是否被更换。由于每个切削刀具的特征值不同，所以如果特征值有变化，则刀具更换判断单元341就判断出切削刀具已被更换。

在步骤S51，如果判断结果为是，则流程进入步骤S56。在步骤S56，采样存储单元342对在当前采样时间测量到的电机31的当前电流值进行采样，并进行存储。通常，对一个工件进行加工的时间例如为T，采样存储单元342以固定时间间隔，例如每隔2ms，对电机31的瞬时电流值(即，当前电流值)进行采样。例如，当前采样时间是4ms，采样存储单元342对电流测量装置33在4ms测量到的电机31的当前电流值进行采样，并进行存储。

接着，在步骤S57，加工结束判断单元345判断对该工件的加工是否结束。在切削刀具32对工件完成切削加工时，加工结束判断单元345会接收到结束标识符，则加工结束判断单元345就判断对该工件的加工结束，并进入步骤S58，否则返回步骤S56。也就是说，加工结束判断单元345根据是否接收到结束标识符来判断加工是否结束。

如果在步骤S57的判断结果为否，则将下一个采样时间作为当前采样时间，并返回步骤S56。例如，下一个采样时间是6ms，并将6ms作为当前采样时间。采样存储单元342对电流测量装置33在6ms测量到的电机31的当前电流值进行采样，并进行存储。如此循环，直至加工结束判断单元345判断出对该工件的加工结束，并进入S58。

在步骤S58，停止单元346使得切削刀具32停止对该工件的加工。

在如上判断出切削刀具32被更换的情况下，对电机31在加工期间的电流值以固定频率进行采样并保存，直至对工件的加工结束。

另外，如果在步骤S51中的判断结果为否，则进入步骤S52。

在步骤S52，与步骤S56类似，采样存储单元342对在当前采样时间测量到的电机31的当前电流值进行采样，并进行存储。例如，当前采样时间是4ms，采样存储单元342对电流测量装置33在4ms测量到的电机31的当前电流值进行采样，并进行存储。

接着，在步骤S53，计算单元343当前电流值以及存储的对应电流值，计算当前电流值变化率，对应电流值是在对前一个工件进行加工期间、在与当前采样时间相对应的采样时间所采样的电机的电流值。具体的，计算单元343根据以下等式1)来计算当前电流值变化率，

其中，R表示当前电流值变化率，I表示当前电流值，I’表示对应电流值。

例如，现在加工的工件是第10个工件，当前电流值是在4ms采样的电流值I。前一个工件是第9个工件，在对第9个工件进行加工期间，在与当前采样时间4ms相对应的采样时间，即在4ms，所采样的电机31的电流值是对应电流值I’。然后根据上述等式1)计算出当前电流值变化率R。

接下来，在步骤S54，变化率判断单元344判断当前电流值变化率R是否大于等于预定阈值，如果是，则进入步骤S58，否则进入步骤S55。

这里，预定阈值是根据新的切削刀具在加工第一个工件期间的电机的最大电流值、切削刀具在加工预计加工寿命到达的最后一个工件期间的电机的最大电流值、预计加工寿命到达的工件数、以及切削刀具的磨损模式来预先设定的。其中的两个最大电流值以及预计加工寿命到达的工件数是根据经验获得的。例如，预计加工寿命到达的工件数是C(即，切削刀具在加工C个工件后，使用寿命到达)，在加工第一个工件期间的电机的最大电流值是I₁，在加工最后一个(即，第C个)工件期间的电机的最大电流值是I_C，考虑切削刀具的磨损曲线呈S型，则预定阈值Y例如可以根据以下等式2)得到，

该预定阈值Y例如是0.5％，将当前电流值变化率R与预定阈值Y进行比较，如果R大于等于0.5％，则进入步骤S58，否则进入步骤S55。

在步骤S54，如果判断结果为否，流程进入步骤S55。

在步骤S55，与步骤S57相同，加工结束判断单元345判断对该工件的加工是否结束。在切削刀具32对工件完成切削加工时，加工结束判断单元345会接收到结束标识符，则加工结束判断单元345就判断对该工件的加工结束，并进入步骤S58，否则返回步骤S52。

如果在步骤S55的判断结果为否，则将下一个采样时间作为当前采样时间，并返回步骤S52。例如，下一个采样时间是6ms，并将6ms作为当前采样时间。采样存储单元342对电流测量装置33在6ms测量到的电机31的当前电流值进行采样，并进行存储。

如上所述，当前采样时间4ms和下一个采样时间6ms之间的时间间隔是固定的，例如时间间隔是2ms。

另外，如果在步骤S54的判断为是，则判断出切削刀具此时出现异常。如图6所示，例如在6ms处，出现了异常电流，从而判断出切削刀具此时出现异常。那么流程就进入步骤S58。

在步骤S58，停止单元346使得切削刀具32停止对工件的加工。如此，可以更精确地判断出切削刀具的异常，并且在切削刀具32出现异常时，立刻停止对工件的加工处理，避免被加工件的加工不良，同时可以避免机床损坏、切削刀具折损等等的不利结果。

进一步，如图4所示，本发明中的控制装置34还包括异常电流值存储单元347，在步骤S54的判断为是，在停止单元346执行步骤S58之前，异常电流值存储单元347将当前电流值作为异常电流值进行存储。本例中，例如将在6ms采样的当前电流值作为异常电流值进行存储。如此，用户可以获取异常电流值，用于后续的分析。

本实施例中，在判断出切削刀具32没有被更换的情况下，以预定的、固定的时间间隔对电机31的电流值进行采样并存储，为每个采样的当前电流值计算当前电流变化率，并且判断该当前电流变化率是否大于等于预定阈值，从而以固定的时间间隔对电机31的电流值进行监控，以便尽早发现任何异常电流，并停止加工。

图7是在出现图6的加工异常之后，继续加工下一个工件的过程中的电流示意图。按照图1和图2的现有技术的方法无法判断出图6的异常，并会继续对下一个工件进行加工。如图7所示，已经出现了电流大幅变化，虽然此时利用图1和图2的现有技术的方法可以判断出异常，但为时已晚。下一个工件已经被加工完成，且加工质量是较差的。而按照本发明的上述方法，在出现图6中的异常电流的情况下，就立刻使得切削刀具停止加工，从而避免在切削刀具出现异常的情况下对下一个工件进行加工。也就是说，按照本发明的上述实施例，完全可以避免加工出质量较差的下一个工件。

在本说明书中给出的所有数值仅仅是说明性的，而不是用于限定本发明的范围。

虽然经过对本发明结合具体实施例进行描述，对于本领域的技术技术人员而言，根据上文的叙述后作出的许多替代、修改与变化将是显而易见。因此，当这样的替代、修改和变化落入附后的权利要求的精神和范围之内时，应该被包括在本发明中。

Claims

1.一种利用切削刀具对工件进行加工的方法，所述切削刀具受电机驱动，所述电机的电流值被测量，其特征在于，所述方法包括：

h)使所述切削刀具停止对所述工件进行加工。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述切削刀具具有特征值，根据所述特征值来判断所述切削刀具是否被更换。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述当前采样时间和所述下一个采样时间之间的时间间隔是固定的。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据以下等式1)来计算所述当前电流值变化率，

5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤f)中，如果判断所述当前电流值变化率大于等于预定阈值，则在步骤h)之前进一步包括将所述当前电流值作为异常电流值进行存储的步骤。

6.一种利用切削刀具对工件进行加工的控制装置，所述切削刀具受电机驱动，所述电机的电流值被测量，其特征在于，所述控制装置包括：

刀具更换判断单元，用于判断所述切削刀具是否被更换；

7.如权利要求6所述的控制装置，其特征在于，所述切削刀具具有特征值，所述刀具更换判断单元根据所述特征值来判断所述切削刀具是否被更换。

8.如权利要求6所述的控制装置，其特征在于，所述当前采样时间和所述下一个采样时间之间的时间间隔是固定的。

9.如权利要求6所述的控制装置，其特征在于，所述计算单元根据以下等式1)来计算所述当前电流值变化率，

10.如权利要求6-9中任一项所述的控制装置，其特征在于，所述控制装置进一步包括异常电流值存储单元，如果所述变化率判断单元判断出所述当前电流值变化率大于等于预定阈值，则所述异常电流值存储单元将所述当前电流值作为异常电流值进行存储。

11.一种利用切削刀具对工件进行加工的系统，其特征在于，所述系统包括：

电机；

切削刀具，所述切削刀具受电机驱动，对工件进行加工；

如权利要求6-10中任一项所述的控制装置，

其中，所述控制装置对所述电流测量装置测量到的所述电流值进行采样和存储，并判断是否使所述切削刀具停止对所述工件的加工。