CN1096334C - 推荐切削加工的动态优选速度的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种手持便携式设备可推荐动态优选速度，用于稳定或减小切削加工过程中刀振之类的不良振动。该设备可用于在切削刀具与工件之间出现相对旋转运动的切削过程，例如车削、镗削、铣削和钻削。该设备通过传声器用可靠而不接触的方式测量从切削过程中发出的声音的压力的主声频信号分量。在事先不知道切削过程参数或机械工具或工件动态特性的情况下，调节和处理该声频信号，以确定频率分量大小。根据切削工具上切削齿数和所识别振动主频率，计算更有可能产生稳定切削过程的转速。显示动态优选速度，用作向过程操作者或机械师提供的推荐值。

Description

推荐切削加工的动态优选速度的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种电子设备，它测量由切削加工过程发出的声音，和显示优选转速的推荐值，以消除或减小叫作刀振的不良振动。更具体地说，本设备可用于那些在具有一个或多个切削齿的刀具与工件之间有相对转动的切削加工操作。本设备提供一种可靠的方法，使操作者可交互地测量和确定一些推荐速度，而不必事先知道或调整切削刀具和工件。

背景技术

诸如车削、镗削、铣削和钻削之类的切削加工过程常受限于刀振形式的不良转动。由切削刀具与工件之间的相对振动运动引起的不良切削过程会导致刀振。这个工业上的共同问题会降低切削表面的质量，限制切削加工过程的生产能力，还常常减小切削齿的使用寿命或导致刀具故障。可用许多方法稳定切削加工过程和避免刀振。其中一种方法是通过事先选择机械工具，刀具和工件夹具的材料，以及可提供更好动态刚性和减振特性的其他部件，使过程的稳定性最大。在这些方法中，虽然为了提高生产能力和制造灵活性而连续驱动必然使许多切削操作发生刀振，但通过设计可提高切削过程的稳定性。

由于刀具材料和切削刃涂层的持续迅速发展和机械工具能力的提高，已显著扩大潜在转速的范围。在过程设置和明细中，或者为了解决生产中的问题状态，通常还需要对速度、进刀速度和切削深度等切削过程参数，进行广泛的试错优化。已试验一些其他途径，例如有效过程监测、刀振检测、和切削加工操作中不稳定性和振动自动控制的复杂方法和实施装置。

大多数这些技术工作由于种种原因而一直不能令人满意，这些原因包括：对特定切削加工操作、条件或刀具切削的有限应用；机械控制或传动的调整；许多传感器类型和集成；对切削刀具、工件或过程程序动态特征所需的广泛先有技术知识；和切削加工的限制。自动的系统还需要经常校准传感器和培训相关的操作者，或者每当修改刀具、部分程序或过程参数时，还需要把控制参数维持在其他限制阈值范围内。

授予Delio的美国专利No.5,170,358讲授一种控制机械工具的刀振的方法：分析来自切削操作的振动信号，且有效地监测和控制切削刀具的走刀或转速。Delio讲授的方法需要和用于控制的机械工具直接相互作用。这样一种装置相当复杂，且可能需要变更一个预编程序机械工具控制器的软件。

发明内容

为了克服先有技术系统的种种限制，本发明的一个目的是提供一种简化的方法，它测量切削加工过程的行为，且提出很可能导致更稳定的切削加工的转速推荐。

另一个目的是通过一种不需要用机械工具调整或集成的可靠而非接触的方法，测量切削过程的设备。

本发明的又一个目的是提供推荐的转速，而不需要事先知道机械工具和工件的动态，或过程的程序和参数。

又一个目的是提供一种轻便手持设备，它能容易地用于许多切削加工过程和机械工具，而不会中断切削加工操作。

本发明的又一个目的是提供一些动态优选速度方案，用于在有切削齿的刀具与工件之间呈现相对转动的切削加工操作。本设备的目的是提供一些由操作者评价的特定速度推荐，以便在考虑刀具平衡、速度限制、可靠机械操作和切削加工实践时，使这些推荐适用于测量切削加工过程。

为了实现本领域技术人员会明白的这些和其他目的，本发明提供了一种与机械工具参数无关的设备，它可对在一个有至少一个切削刃的切削工具与一个工件之间的相对转动提供转动速度推荐值，借此而使这样的速度有可能产生更稳定的切削加工，和减小或消除刀振形式的不良振动，该设备包括：(a)一个音频传感器，用于传感包括切削刀具与工件之间的刀振的振动，和提供一个与其相当的电子信号；(b)用于调节信号的增益控制和滤波装置，以便使振幅最佳化和衰减不良频率分量；(c)用于处理所调节信号以确定主频谱分量频率的装置；(d)用于输入切削刀具上切削刃数的装置；(e)用于计算速度推荐值的计算装置，该值随主频谱分量频率和切削刃数而变；和(f)用于显示速度推荐值的装置。

本发明还提供了一种用于对在一个有至少一个切削刃的切削刀具与一个工件之间的相对转动确定转动速度推荐值的方法，借此而使这样的速度有可能产生更稳定的切削加工，和减小或消除刀振形式的不良振动，并且借此而使这样的速度在与机械工具参数无关的情况下被确定，该方法包括下述步骤：(a)传感振动，包括切削刀具与工件之间的刀振，并且提供一个与其相当的电子信号；(b)调节该信号，以便使振幅最佳化，和衰减不良频率分量；(c)处理所调节信号，以确定主频谱分量频率；(d)输入切削工具上切削刃数；(e)计算速度推荐值，该值随主频谱分量频率和切削刃数而变；和(f)显示速度推荐值。

附图说明

图1是示意图，说明本设备的操作流程；

图2是本发明数字实施例的方块图；和

图3描述本发明的样本用户接口；

图4a、4b和4c是用于描述在EPROM中存储的程序的流程图，以便识别刀振频率和计算优选速度推荐值。

具体实施方式

参照图1，描述本发明的操作流程。一个单独的音频传感器包括一个能够检测从切削过程发出的声音压力的传声器10，可产生一个原始数据信号。一个分段增益放大器11和一个低通滤波器12可调节该信号，以提供加强的信号与噪声特征，并且在使用信号的数字表示法时避免混叠。从一个基于频率的分析器13建立有最大振幅的信号频率分量。可以用一些模拟方法确定主频率。这些方法包括但不限于频率计数器，频率与电压变换器或活动滤波器技术。可以用数字表示所调节的信号，并且可以采用一些数字信号处理技术，例如产生指示频谱分量的系数的快速傅里叶变换，快速哈特利变换或其他变换。根据确定切削刀具上刀刃整数的主信号分量和切削齿计数器14的识别频率，一个固定算法器15计算由显示器16显示的动态优选速度推荐值。以每分钟转数指示的速度对应于与测量过程振动同相的有利切削刃，并可导致减小或消除刀振。根据测量过程动态值计算优选的速度，而不必事先知道刀具、工件或机械工具的情况；因此，必须对应用的适应性评价所显示的速度推荐值。

参照图2，说明本发明的优选实施例，用作一个测量切削加工过程声音特征和显示动态优选速度推荐值的装置。在一个锥形腔31(图3)中内装一个用于传感振动的变换器，例如声学传声器10；或者任选地，一个外部的远程传声器变换器可测量从切削过程发出的声音，该声音产生一个到所公开设备的模拟输入信号。把外部传声器销插入外部传声器插口21中，可使内部传声器10不能使用。用增益分段放大器11和低通滤波器12调节输入信号。用模数变换器22(ADC)抽取滤波器输出的样本。通过选通振幅控制电路24用一个受控量放大输入模拟信号，以利用ADC 22的全刻度动态范围。根据在10,000Hz下用高频抽样率取得的两个数据组和在3,000Hz下用低频抽样率取得的一个数据组，修正抽样率和低通滤波截止。把数字信号从时域变换到频率域，以得出频谱分量的振幅。使用任何诸如快速傅里叶变换或快速哈特利变换之类的数学技术，实现信号的变换。采用一些使数字信号数据在其范围限度下平稳地趋于零的窗函数来减小频谱漏失，并且频谱平滑可简化主频率的识别。当按照切削齿计数器14测量切削加工过程声音时，用户输入正在操作的刀具上的切削刃的数目。根据识别的主频率和切削齿计数14，在微处理器23中计算动态优选速度推荐值，并且通过一个多路复用显示驱动器19以数字方式显示。一个公用数字显示器25用于全部的设备输出。由用户按钮设置操作和显示的模式。由伴随按钮的模式LED26指示相应的显示模式。在一个EPROM 38中存储设备控制和程序算法，并且微处理器使用外部RAM 37。在一个内部的可再充电的电池组中存放系统的电源。向DC充电器插口39提供外部充电电源。一个充电状态控制电路29确定充电电平，且防止电池被过充电。为了保存电池使用寿命，微处理器中的一个监视时钟在设备维持一段不变化的特定时期时，提供自动断路。

图3描述一个用于人员因素的样本用户接口设计。前面板包括一个多层触点(复盖)表面41，或为了用于工业环境而密封的类似表面。该设备设计提供一个不复杂的时序操作过程。该设备操作包括一个4步骤的过程。

1)第一步骤：按下电源按钮32，以触发该设备。电源按钮是一个单独的按钮，具有交替通/断作用。一个相邻的LED42照亮，以指示电源按钮已被按压，和数字显示器25目前正在指示电池充电状态。测量内部电池充电电平，并由数字显示器上的1、2或3指示它。在几分钟不用以后，设备自动关闭，以保存电池电力。

2)第二步骤：用户把声音传声器10对准还在呈现刀振形式的不良振动的切削过程。按压取得数据33按钮，以启动数据获取过程。相应的LED 43照亮，并且在测量和初始评价声音数据特征的同时，相继地触发数字显示器的中央段，以提供直观的反馈。微处理器程序建立数据调节的适应性，并且数字显示器25指示一个用于指示不足信号/噪声含量的低信号振幅的“1”；一个用于高信号振幅的“2”，它指示已限制信号电压，以免电子元器件饱和；一个用于指示不能识别主频谱分量的“3”；或者一个用于良好数据的“4”，它指示所得声音信号的特征足以继续分析。

3)第三步骤：用户按压切削齿计数按钮34。相邻的LED 44照亮，这表示数字显示相当于切削刀具上刀刃数。切削齿计数器14被初始地置于“0”，可以通过重复地按压切削齿按钮34而递增地推进。数字显示器25定序为从1到16，或到另一个编程最大值，然后又翻转到以“1”开始。在显示正确切削齿计数14的情况下，用户继续操作。按压除了电源按钮32之外的任何其他模式按钮，都导致存储切削齿计数14，供将来使用。

4)第四步：操作者按压优选速度按钮35，以顺序地列出直至10个或其他编程最大数目的、以每分钟转数(RPM)表示的动态优选速度推荐值。首先指示最高速度，然后相继地显示较慢速度的方案，直至该列表又翻转到最高速度为止。如前所述，相邻的LED 45指示：数字显示25现在示出以RPM表示的速度。用户可以变更切削齿计数器14，以研究其他的优选速度，这些速度相应于切削刀具中刀刃的不同数目。

在测量切削过程声音和显示优选速度以后，操作者必须评估速度推荐值对切削加工应用的适应性。正如所有的过程参数技术要求一样，必须在使用任何推荐速度以前，考虑切削刃和工件材料的考虑，所得切削表面率，机械工具和切削刀具的最大速度限制，切削刀具的工件平衡，和一般安全事项。

在本文公开的优选实施例中，微处理器23执行一个存储于EPROM38中的程序。图4a，4b和4c是描述一个适宜程序的示意流程图。

参照图4a，当按压取得数据按钮33时，程序开始。在按压取得数据按钮时，照亮LED 43，并且在步骤61指令输入模拟振动或声音数据，和在62测量峰到峰振幅。如果在63试验的峰到峰振幅处于一个可接受的范围内，该范围不饱和模数变换器，并且基本上使用模数转换器的整个输出范围，那么控制转到图4b上的B。如果数据不处于此范围，并且它是低的(如在64所确定)和分段放大器的增益处于最大放大情况(如在65所确定)，那么在66显示“1”，指示低信号振幅。如果分段增益放大器不处于最大放大情况，则在67增加增益，直至增益处于可接受的范围为止。如果峰到峰信号饱和模数转换器22，且增益是最小(如在68所确定)，则在69显示“2”，指示高信号振幅。如果分段增益放大器的增益不是最小，则它在70减小，直至峰到峰振幅处于可接受的范围为止。

参照图4a描述的增益控制程序是本发明的基本特征。刀振信号的振幅会从机器到机器和从工件到工件而不同，也会随振动传感器或传声器的位置而不同。所述的程序自动地调整增益，以获得到模数转换器的输入信号的峰到峰值的最大可能范围。这可改善正确识别刀振频率的似然性。根据一个优选实施例，增益范围是40dB。

现在参照图4b，在峰到峰模拟信号电平已被带入可接受的范围以后，增益和滤波就被维持恒定，并且开始进行信号的数字抽样。首先，在71设置抽样率，并在72设置相应的低通截止频率。在本发明人的实践中，刀振频率几乎总是小于5000Hz，并且在大多数时间里低于1500Hz。因此，首先在5000Hz设置低通频率，和在10000Hz(两倍于最高可能刀振频率以满足熟知的抽样准则)设置抽样率。然后使两个样品组数字化，以产生数字化的样本HF1和HF2(在73，74和75)。低通频率被设置成1500Hz，且抽样率被设置成3000Hz，以输入数字化的样本LF1(在73，74和75)。各个样本都用一个Hanning窗系数进行定标，并且存储于RAM37内的数据阵列中。

然后在76对数据组HF 1进行一个零中心快速哈特利变换，以便把数据从时间域变换到频率域(一个定标振幅频谱)。在77，根据频率域的数据，计算和保存频率峰振幅的均方根(RMS)值。然后在78，在频谱中识别最大频谱分量频率(MCF)，用作似然刀振频率。

参照图4c，如果在79的试验中识别出MCF处于低范围(小于1200Hz)，则在81该程序执行一个集中于数据组LF1的MCF上的8点离散哈特利变换。离散哈特利变换提供一个高分辨率频谱，而不需要整个快速哈特利变换的计算额外开销。如果MCF处于高范围(大于1200Hz)，则在80对数据组HF2进行一个8点离散哈特利变换。

然后在82检查在80或81生成的频谱，以识别最大峰(Max Peak)的振幅和频率。

在83a，由离散哈特利变换识别的最大峰必定发生于一个频率区域，并且一个近似的振幅相当于对数据组HF1由快速哈特利变换识别的最大峰。这种比较提供一种评价数据的有效方法，以便通过确定是否在数据获取时期存在一个在MCF的持久激发，拒绝随机噪声。

在83b，认为最大峰值与2.5倍的RMS值近似。如果它小于2.5倍的RMS值，则它被拒绝。这样，如果MCF是不存在于样本HF2或LF1中的样本HF1中的寄生噪声的结果，则认为最大峰值不等于刀振频率。在83c，认为最大峰频率与0.86倍的用于高频抽样的低通截止频率(4300Hz)近似。如果最大峰值更大，则它被拒绝，因为它可能是由不充分抽样率引起的混叠，和非理想的低通滤波的影响。

如果在83a、83b或83c中的任一步骤拒绝最大峰值，则在85显示“3”消息，以指示一个非峰状态。如果不拒绝最大峰值，则在86显示“4”消息，指示一种良好数据状态。还在87把刀振频率(CF)设置成最大峰值频率。

现在，可在88输入切削齿计数。当通过反复按压切削计数按钮34而达到正确的切削齿计数被显示和另一模式按钮被按下，从而已经输入切削齿计数时，就在88指定该切削齿计数为TC。如果切削齿计数不是零，在91进行优选速度的计算。可用下列公式作计算： $\mathrm{RPMn}=\frac{(60\×\mathrm{CF})}{(\mathrm{TC}\×n)}$

式中n被指定为1与10之间的整数值。

然后在92显示优选速度。可通过按下优选速度按钮35显示从最优选速度开始的各个优选速度。如果在89数据不良，且切削齿计数不等于零，则在90显示一个相应的错误代码/消息。

能够使用在此中描述的手持设备，而不中断切削加工过程，或与机械工具或控制器的连系。不需要事先知道：a)机械工具、工件或相关设备的动态特性，b)刀具路径或过程程序，c)指定的切削参数，例如切削深度或进刀速度，或d)切削刀具或工具材料的性质。

本设备及其相关的方法可用于一些切削加工操作，在这些操作中，刀夹是转动的和工件是静止的，或者其中刀夹静止和工件转动。

虽然为了充分描述本发明的原理，已经描述本发明的优选实施例和一般操作，但本专业技术人员会了解，可以在形式和细节上作出修正和变更而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (23)

1.一种与机械工具参数无关的设备，它可对在一个有至少一个切削刃的切削工具与一个工件之间的相对转动提供转动速度推荐值，借此而使这样的速度有可能产生更稳定的切削加工，和减小或消除刀振形式的不良振动，该设备包括：

(a)一个音频传感器，用于传感包括切削刀具与工件之间的刀振的振动，和提供一个与其相当的电子信号；

(b)用于调节信号的增益控制和滤波装置，以便使振幅最佳化和衰减不良频率分量；

(c)用于处理所调节信号以确定主频谱分量频率的装置；

(d)用于输入切削刀具上切削刃数的装置；

(e)用于计算速度推荐值的计算装置，该值随主频谱分量频率和切削刃数而变；和

(f)用于显示速度推荐值的装置。

2.根据权利要求1的设备，其中传感器是非接触类型的，用于检测从切削加工过程发出的声音的压力，和间接测量切削刀具与工件之间的相对振动。

3.根据权利要求2的设备，其中传感器具有至少12KHz的动态范围。

4.根据权利要求2的设备，其中传感器被固定于该设备上。

5.根据权利要求2的设备，其中传感器在该设备的外部放置。

6.根据权利要求2的设备，其中传感器是一个音频传声器。

7.根据权利要求1的设备，还包括一个装置，用于在用户不帮助或不知道的情况下自动地设置内部信号滤波范围和增益放大。

8.根据权利要求7的设备，还包括一个装置，用于显示所调节信号的振幅是否太高或太低，以便在有效增益调整以后进行适当的数字化。

9.根据权利要求1的设备，其中该设备还包括一个用作其电源的可再充电电池，一个用于防止过度充电的控制装置，一个充电状态指示器，和一个用于防止电池漏电的自动关闭装置。

10.根据权利要求1的设备，还包括用于使所调节信号数字化的装置。

11.根据权利要求10的设备，其中所调节信号的至少两组样本被变换成频率域频谱，并且作出比较，以选择一个指示刀振频率的主频谱分量。

12.根据权利要求10的设备，其中能够为用于使所调节信号数字化的装置而选择多个抽样率和相应的多个低通截止频率。

13.根据权利要求10的设备，其中在用户不必帮助或知道的情况下自动地设置用于数字化的装置的数据抽样率。

14.根据权利要求11的设备，其中计算一个频率域频谱的频谱分量的均方根值，并且把不超过2.5倍于均方根值的频谱分量作为可能刀振频率而拒绝。

15.根据权利要求1的设备，其中用于处理所调节信号的装置包括：用于使所调节信号的样本数字化的装置，和用于对该信号进行一个从时间域到频率域的快速变换的装置，以便产生一个包括主频谱分量的频谱。

16.一种用于对在一个有至少一个切削刃的切削刀具与一个工件之间的相对转动确定转动速度推荐值的方法，借此而使这样的速度有可能产生更稳定的切削加工，和减小或消除刀振形式的不良振动，并且借此而使这样的速度在与机械工具参数无关的情况下被确定，该方法包括下述步骤：

(a)传感振动，包括切削刀具与工件之间的刀振，并且提供一个与其相当的电子信号；

(b)调节该信号，以便使振幅最佳化，和衰减不良频率分量；

(c)处理所调节信号，以确定主频谱分量频率；

(d)输入切削工具上切削刃数；

(e)计算速度推荐值，该值随主频谱分量频率和切削刃数而变；和

(f)显示速度推荐值。

17.根据权利要求16的方法，其中传感振动的步骤包括：检测从切削加工过程中发出的声音的压力，和间接地测量在切削刀具与工件之间的相对振动。

18.根据权利要求16的方法，还包括下述步骤：在不需要用户帮助和知道的情况下，自动地设置内部信号滤波范围和增益放大。

19.根据权利要求16的方法，还包括下述步骤：显示所调节信号振幅是否太高或太低，以便在有效增益调整以后进行适当的数字化。

20.根据权利要求16的方法，还包括使所调节信号数字化的步骤。

21.根据权利要求20的方法，其中所调节信号的至少两组样本被变换成频率域频谱，并且作出比较，以选择一个指示刀振频率的主频谱分量。

22.根据权利要求21的方法，其中计算一个频率域频谱的频谱分量的均方根值，并且把不超过2.5倍于该均方根值的频谱分量作为可能刀振频率而拒绝。

23.根据权利要求16的方法，其中处理所调节信号的步骤包括：使所调节信号的样本数字化，并且对该样本进行一个从时间域到频率域的快速变换，以产生一个包括主频谱分量的频谱。

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