CN109991925A - 一种切削颤振在线监控方法及监控系统 - Google Patents

一种切削颤振在线监控方法及监控系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种切削颤振在线监控方法及监控系统，包括以下步骤：a、读取传感器数据，计算主轴通过率fs=m/60；b、传感器数据量大于或等于N，则傅里叶变换并清除数据；数据量小于N则返回步骤a；c、出现颤振时，振动能量偏离主轴通过率fs的整数倍频率；d、计算f0=min{｜fm‑n×fs｜}；e、f0与f比较；f、当f0＜f时，返回步骤b，则结束；g、当f0≥f时，则发送PLC信号控制机床停机；h、结束。监控系统包括振动传感器、振动信号采集卡、计算机、工业总线接口和数控系统PLC。通过将振动信号进行傅里叶变换到频域，再根据主要的振动能量所在的频率与主轴通过率整数倍频率之间的偏离程度来判断是否发生颤振，同时进行监控。

Description

一种切削颤振在线监控方法及监控系统
技术领域
本发明属于机械加工技术领域，具体涉及一种切削颤振在线监控方法及监控系统。
背景技术
切削加工过程中，切削参数与工艺系统的刚性不匹配时，易发生切削颤振的现象，主要表现为振动和声音的加剧，使得切削加工不稳定，导致零件表面质量下降，甚至引起刀具破损导致更严重的零件质量问题或/和设备事故。以往，切削颤振主要由操作人员根据经验人工监控。然而，近年来，数控加工逐渐朝自动化、无人工干预方向发展，其中如何对切削颤振进行监控以保证零件的质量和设备的安全是必须要解决的问题。
过去二十年里，针对颤振的研究主要聚焦于如何设置合理的切削参数以预防颤振的发生，主要的方法是对机床主轴采用锤击法获取颤振稳定域，以在稳定域内选择切削参数。国外，加拿大的英属哥伦比亚大学（UBC）较早开展了相关研究，并形成了软硬件工具。国内，过去几年，北京航空航天大学也开展了相应的研究，也形成了软硬件工具，并在“千台数控机床增效工程”中的得到应用。
对主轴采用锤击法获取颤振稳定域可以在一定程度上避免颤振的发生，但是切削状态不仅与主轴相关，还与刀具和工件的状态相关，实际生产中，难以通过锤击法完全获得整个工艺系统的状态，并且随着加工的进行，残留的材料逐渐减少，零件的状态不断在变化，工件刚度呈时变减小趋势，刀具—工件系统动力学特性变差并导致颤振的加剧。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种切削颤振在线监控方法及监控系统，能够将振动信号通过傅里叶变换到频域，再根据主要的振动能量所在的频率判断是否发生颤振。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种切削颤振在线监控方法，其特征在于：包括以下步骤：
a、将振动传感器安装到机床主轴上，读取传感器数据，同时在数控系统中自动读取主轴转速m，计算主轴通过率fs=m/60；
b、如果读取的传感器数据量大于或等于N，则傅里叶变换并清除数据；如果数据量小于N则返回步骤a中的读取传感器数据，其中N为设定的数据量；
c、频域信号与切削状态之间存在的规律为：稳定切削时（无颤振产生），振动能量集中在主轴通过率fs的整数倍频率上；出现颤振时，振动能量偏离主轴通过率fs的整数倍频率，在其他很多频率上会出现较大的振动；
d、提取最大振幅所在的频率fm，计算出频率偏离f0，公式如下:
f0=min{｜fm-n×fs｜} (1)
e、f0与f比较；
f、当f0＜f 时，如果不停止监控，返回步骤b；停止监控则结束；
g、当f0≥f 时，则发送PLC信号控制机床停机；
h、结束。
上述中，n—正整数1,2,3,…（n×fs小于等于频谱图中的最大频率值），N—设定的数据量，m—主轴转速，fm—最大振幅所在的频率， fs—主轴通过率，f—设定的最大振幅所在频率偏离上限。
一种切削颤振在线监控系统，其特征在于：包括振动传感器、振动信号采集卡、计算机、工业总线接口和数控系统PLC，所述振动传感器安装在机床主轴上，所述振动传感器通过信号线连接到振动信号采集卡，所述振动信号采集卡通过信号线连接到计算机，所述工业总线接口两端分别连接数控系统PLC和计算机，所述计算机上安装监控软件。
所述监控系统采用PCB的单向振动传感器，NI的计算机、振动信号采集卡及PROFIBUS工业总线接口、西门子的PROFIBUS工业总线，监控软件基于NI的Labview开发。
本发明带来的有益效果有。
1、通过实时对振动信号进行频域分析，通过最大振幅所在频率偏离主轴通过率整数倍频率的程度判断是否发生颤振，最大振幅所在频率的偏离上限需要根据具体情况通过试验或从实际加工中收集数据来确定，实测振动信号振动频率与主轴通过率整数倍频率之间的偏移，可以快速准确识别加工过程是否稳定（是否有颤振产生），同时计算过程简单，在高频数据采集的情况下仍可实现在线监控，可用于高速加工中。
2、通过建立总线上PLC等设备与监控计算机之间的通讯连接，从而可以从数控系统读取主轴转速、刀具齿数（通过NC程序写入数控系统变量中）并向PLC写入数据停止机床加工，零件加工的目的是最终获得精度符合要求的零件，在加工过程中对颤振进行在线监控，发现出现颤振现象时及时停止加工并报警，再由人工进行处理，避免出现质量问题。
3、通过基于Labview开发的监控软件，实现了振动信号的采集、快速傅里叶变换（每隔一定时间或每采集一定量数据进行一次）、最大振幅所在频率的提取、与主轴通过率整数倍频率之间频率偏移的计算及颤振识别结果的反馈。
附图说明
图1是本发明的流程示意图。
图2是本发明中稳定切削时的振动信号图。
图3是本发明中颤振切削时的振动信号图。
图4是本发明中监控结构示意图。
附图标记：1、振动传感器，2、振动信号采集卡，3、工业总线接口，4、数控系统PLC。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种切削颤振在线监控方法，其特征在于：包括以下步骤：
a、将振动传感器安装到机床主轴上，读取传感器数据，同时在数控系统中自动读取主轴转速m，计算主轴通过率fs=m/60；
b、如果读取的传感器数据量大于或等于N，则傅里叶变换并清除数据；如果数据量小于N则返回步骤a中的读取传感器数据，其中N为设定的数据量；
c、频域信号与切削状态之间存在的规律为：稳定切削时（无颤振产生），振动能量集中在主轴通过率fs的整数倍频率上；出现颤振时，振动能量偏离主轴通过率fs的整数倍频率，在其他很多频率上会出现较大的振动；
d、提取最大振幅所在的频率fm，计算出频率偏离f0，公式如下:
f0=min{｜fm-n×fs｜} (1)
e、f0与f比较；
f、当f0＜f 时，如果不停止监控，返回步骤b；停止监控则结束；
g、当f0≥f 时，则发送PLC信号控制机床停机；
h、结束。
上述中，n—正整数1,2,3,…（n×fs小于等于频谱图中的最大频率值），N—设定的数据量，m—主轴转速，fm—最大振幅所在的频率， fs—主轴通过率，f—设定的最大振幅所在频率偏离上限。
如图2所示，主轴转速m为24000rpm稳定加工时（未出现颤振）的时域和频域三向振动信号，从图中可以看出，最大振幅所在频率fm为分别为400Hz和800Hz，正好是主轴通过率fs的整数倍。
根据公式min{｜fm-n×fs｜}计算出f0=0。
通过实时对振动信号进行频域分析，通过最大振幅所在频率偏离主轴通过率整数倍频率的程度判断是否发生颤振，最大振幅所在频率的偏离上限需要根据具体情况通过试验或从实际加工中收集数据来确定，实测振动信号振动频率与主轴通过率整数倍频率之间的偏移，可以快速准确识别加工过程是否稳定（是否有颤振产生），同时计算过程简单，在高频数据采集的情况下仍可实现在线监控，可用于高速加工中。
实施例2
如图1所示，一种切削颤振在线监控方法，包括以下步骤：
a、将振动传感器安装到机床主轴上，读取传感器数据，同时在数控系统中自动读取主轴转速m，计算主轴通过率fs=m/60；
b、如果读取的传感器数据量大于或等于N，则傅里叶变换并清除数据；如果数据量小于N则返回步骤a中的读取传感器数据，其中N为设定的数据量；
c、频域信号与切削状态之间存在的规律为：稳定切削时（无颤振产生），振动能量集中在主轴通过率fs的整数倍频率上；出现颤振时，振动能量偏离主轴通过率fs的整数倍频率，在其他很多频率上会出现较大的振动；
d、提取最大振幅所在的频率fm，计算出频率偏离f0，公式如下:
f0=min{｜fm-n×fs｜} (1)
e、f0与f比较；
f、当f0＜f 时，如果不停止监控，返回步骤b；停止监控则结束；
g、当f0≥f 时，则发送PLC信号控制机床停机；
h、结束。
上述中，n—正整数1,2,3,…（n×fs小于等于频谱图中的最大频率值），N—设定的数据量，m—主轴转速，fm—最大振幅所在的频率， fs—主轴通过率，f—设定的最大振幅所在频率偏离上限。
如图3所示，同一把刀具仍然在主轴转速m为24000rpm加工、但出现颤振时的时域和频域三向振动信号，从图中可以看出，最大振幅所在频率fm已经偏离了主轴通过率的整数倍频率400Hz和800Hz，并且在大约190Hz、390Hz、410Hz、620Hz等频率上出现了较大的振幅，其中最大振幅所在的频率fm为620Hz。
根据公式min{｜fm-n×fs｜}计算出f0=180Hz，此时n=2。
如图4所示，一种切削颤振在线监控系统，包括振动传感器1、振动信号采集卡2、计算机、工业总线接口3和数控系统PLC4，所述振动传感器1安装在机床主轴上，所述振动传感器1通过信号线连接到振动信号采集卡2，所述振动信号采集卡2通过信号线连接到计算机，所述工业总线接口3两端分别连接数控系统PLC4和计算机，所述计算机上安装监控软件。
所述监控系统采用PCB的单向振动传感器，NI的计算机、振动信号采集卡及PROFIBUS工业总线接口、西门子的PROFIBUS工业总线，监控软件基于NI的Labview开发。
通过实时对振动信号进行频域分析，通过最大振幅所在频率偏离主轴通过率整数倍频率的程度判断是否发生颤振，最大振幅所在频率的偏离上限需要根据具体情况通过试验或从实际加工中收集数据来确定，实测振动信号振动频率与主轴通过率整数倍频率之间的偏移，可以快速准确识别加工过程是否稳定（是否有颤振产生），同时计算过程简单，在高频数据采集的情况下仍可实现在线监控，可用于高速加工中。
通过建立总线上PLC等设备与监控计算机之间的通讯连接，从而可以从数控系统读取主轴转速、刀具齿数（通过NC程序写入数控系统变量中）并向PLC写入数据停止机床加工，零件加工的目的是最终获得精度符合要求的零件，在加工过程中对颤振进行在线监控，发现出现颤振现象时及时停止加工并报警，再由人工进行处理，避免出现质量问题。
通过基于Labview开发的监控软件，实现了振动信号的采集、快速傅里叶变换（每隔一定时间或每采集一定量数据进行一次）、最大振幅所在频率的提取、与主轴通过率整数倍频率之间偏移的计算及颤振识别结果的反馈。所述振动传感器1的型号为：PCB 355B03。
所述振动信号采集卡2的型号为：NI PXIe-4496。
所述计算机的型号为：NI PXIe 1078。
工业总线接口3的型号为：PXI PROFIBUS。
所述监控软件为：基于Labview自主开发。
PLC属于机床数控系统原有部件。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (3)

1.一种切削颤振在线监控方法，其特征在于：包括以下步骤：
a、将振动传感器安装到机床主轴上，读取传感器数据，同时在数控系统中自动读取主轴转速m，计算主轴通过率fs=m/60；
b、如果读取的传感器数据量大于或等于N，则傅里叶变换并清除数据；如果数据量小于N则返回步骤a中的读取传感器数据，其中N为设定的数据量；
c、频域信号与切削状态之间存在的规律为：稳定切削时（无颤振产生），振动能量集中在主轴通过率fs的整数倍频率上；出现颤振时，振动能量偏离主轴通过率fs的整数倍频率，在其他很多频率上会出现较大的振动；
d、提取最大振幅所在的频率fm，计算出频率偏离f0，公式如下:
f0=min{｜fm-n×fs｜} (1)
e、f0与f比较；
f、当f0＜f 时，如果不停止监控，返回步骤b；停止监控则结束；
g、当f0≥f 时，则发送PLC信号控制机床停机；
h、结束。
2.一种切削颤振在线监控系统，其特征在于：包括振动传感器（1）、振动信号采集卡（2）、计算机、工业总线接口（3）和数控系统PLC（4），所述振动传感器（1）安装在机床主轴上，所述振动传感器（1）通过信号线连接到振动信号采集卡（2），所述振动信号采集卡（2）通过信号线连接到计算机，所述工业总线接口（3）两端分别连接数控系统PLC（4）和计算机，所述计算机上安装监控软件。
3.如权利要求2所述的一种切削颤振在线监控系统，其特征在于：所述监控系统采用PCB的单向振动传感器，NI的计算机、振动信号采集卡及PROFIBUS工业总线接口、西门子的PROFIBUS工业总线，监控软件基于NI的Labview开发。
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