CN111300148A

CN111300148A - 一种电流信号监测刀具磨损的方法

Info

Publication number: CN111300148A
Application number: CN202010199548.9A
Authority: CN
Inventors: 郑朋艳; 魏凯; 李洪岩; 田英明; 田原晨; 苏花鲜
Original assignee: CNMC Albetter Albronze Co Ltd
Current assignee: CNMC Albetter Albronze Co Ltd
Priority date: 2020-03-20
Filing date: 2020-03-20
Publication date: 2020-06-19

Abstract

本发明为一种电流信号监测刀具磨损的方法。电流信号监测机床刀具磨损的装置包括传感器、变频器、数据采集装置、工业控制计算机，变频器输入侧U、V、W三项分别布置一个传感器，输出侧分别与机床的主轴伺服电机、X轴伺服电机、Y轴伺服电机和Z轴伺服电机连接，传感器与数据采集装置连接，数据采集装置与工业控制计算机连接，用于处理收集到的电信号。电流信号监测机床刀具磨损的方法，采集变频器输入端U、V、W三相的电流信号，对电流信号平均有效值进行时域分析、频域分析或时频域分析，将其与标准幅值进行比较得到刀具磨损的状态。本发明确保刀具处于合理状态，并及时预警，保证高效的换刀策略，提高生产效率。

Description

一种电流信号监测刀具磨损的方法

技术领域

本发明属于数控机床加工监测领域，具体公开了一种电流信号监测刀具磨损的方法。

背景技术

在我国制造业发展过程中，越来越多的工业生产需要应用机床，有些行业甚至会依赖机床。实际的生产系统是由各个环节相互耦合而成，所以若要整个系统稳定运行，各个环节都有举足轻重的作用，如果其中一个环节发生问题，可能会导致真个系统都无法正常运转，甚至可能是整个生产链发生中断。在机床金属切削加工中由于各种因素如毛坯质量、刀具等影响，加工得到的产品质量也会参差不齐，这样对整体产品质量控制非常不利。如今的加工，更加强调的是自动化加工，在此过程中，集成化的程度较高，因此，需要掌控整个加工过程。对于数控机床而言，加工精度通常都较高，而且高端机床的可靠性非常好，但是数控机床的加工质量好坏很大程度上要依赖于机床所使用的加工刀具质量的好坏。因此，刀具是影响整个切削过程的主要因素之一。

在数控机床的实际加工过程中，需要对刀具状态进行实时监控，确保加工中刀具处于合理的状态,并在需要更换刀具的时候及时预警保证高效的换刀策略，从而使整个加工过程都处于高效状态。因此，有效的刀具监测技术，可以有效地提高整个工件的生产效率，而且可以及时进行换刀，减少整个机床因换刀而停机的时间。

发明内容

本发明的技术任务是提供一种电流信号监测刀具磨损的装置及方法，通过对电流信号进行分析处理、实现监测目的。降低劳动强度，提高劳动效率，实现有效监测。该装置及方法有方便、易操作、使用简单的特点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种电流信号监测机床刀具磨损的装置，包括传感器、变频器、数据采集装置、工业控制计算机；所述变频器输入侧U、V、W三项分别布置一个所述传感器；所述变频器输出侧分别与机床的主轴伺服电机、X轴伺服电机、Y轴伺服电机和Z轴伺服电机连接；所述传感器与数据采集装置连接，所述数据采集装置与所述工业控制计算机连接；所述工业控制计算机，用于处理收集到的电信号，根据所述的电流信号监测机床刀具磨损的装置，所述传感器为开环霍尔电流传感器，所述数据采集装置为数据采集卡。

一种电流信号监测机床刀具磨损的方法，包括以下步骤，（1）采集变频器输入端U、V、W三相的电流信号；（2）求解三相电流信号的平均有效值；（3）对电流信号平均有效值进行时域分析、频域分析或时频域分析；（4）求得电流信号平均有效值在时域、频域或时频域的密度幅值；（5）将其与标准幅值进行比较得到刀具磨损的状态，如果在小于标准幅值说明刀具状态好可以继续使用，如果大于标准幅值机器将停机报警。

根据所述的电流信号监测机床刀具磨损的方法，按以下方法计算三相电流信号的平均有效值：

对信号进行预处理，确定收集单相电的电流有效值：

；

将单相电的电流有效值离散化：

，其中i为电流，n为积分周期T内的采用点总数，T为采样周期；

确定三相电流有效值的平均值作为变频器输入侧电流的有效值：

，其中为U相电流有效值，为V相电流有效值，为W相电流有效值。

根据所述的电流信号监测机床刀具磨损的方法，对电流信号平均有效值进行频域分析，利用db5小波对平均有效电流信号进行小波分解。

根据所述的电流信号监测机床刀具磨损的方法，所述采样装置的采样率至少为100kS/s，主要功能包括信号采集、数据分析处理、特征提取、状态识别、采集数据的存储、监测结果的导出等。该系统分为硬件、软件2个方面，软件部分分为机床和刀具磨损监测系统2个组成部分。机床部分主要通过修改机床PLC程序和编写机床宏程序，通过机床闲置PLC端口发送当前加工段号，而刀具磨损监测系统主要负责数据的采集、状态监测和监测报告的导出等。硬件方面主要由电源、工业控制计算机、采集通信模块和传感器模块等构成，其中传感器为CHK-100R1开环霍尔电流传感器，数据采集使用研华USB-4711A采集卡，采样装置的采样率至少为100kS/s。软件部分利用Qt开发，包括数处理、机床工作状态监测、文件读写、玩过通信以及监测报告导出等模块，架构分为类库驱动、数据处理和用户界面3层。

基础信号的获取及分析：以数控加工中心为例，测量变频器输入端的电流信号，同时监测主轴电机和进给电机的信号，采用输入侧电流监测方法，使用3个传感器对应三相电，简化监测系统的组成结构。利用CHK-100R1开环霍尔电流传感器进行采集变频器输入侧电流，从电流有效值定义出发，提出新的计算方法，单相电的电流有效值计算公式为

，对其离散化

，其中n为积分周期T内的采用点总数。因变频器工作时应三相平衡，三相电流相等，因此取三相电流有效值的平均值作为变频器输入侧的电流有效值，即

。

信号的时域分析：在刀具磨损的三个阶段——初期磨损、正常磨损、急剧磨损中获得有效电流值，确定时域指标包括均值、均方值、均方根值、方差、峰值、峭度、峰值因子、波形因子、脉冲因子，时域信号测量得出具体数值，统一进行归一化处理，得到各指标在三个磨损阶段的差分条形图，两磨损阶段间的差分值越大，表明该指标越容易将两个磨损阶段区分开。通过数据收集和整理，得出结论，时域分析的特征指标主要为方差，其次为均方值。

信号的频域分析：采用功率谱密度对变频器输入侧的电流信号进行分析，主要方法有平均有效电流值法和传统RMS有效电流值法，对这两种计算方法得到的有效电流值分别计算频域指标。频域的特征指标为重心频率、均方频率、均方根频率、频率方差。对各指标进行归一化处理，将3个阶段的同一指标做差求绝对值，通过对比，平均有效电流值计算方法的区分初期磨损和正常磨损的效果要优于传统RMS有效电流值方法。

信号的时频域分析：时频域分析弥补时域、频域不能挖掘出信号中丰富的信息，对分析时变信号和非平稳信号比较有效。该方法分别将RMS值法求得的初期、正常和急剧磨损三个阶段的有效电流值、平均有效值电流法算出的电流信号进行db5小波分解。计算分析得到三个阶段RMS值电流信号和平均有效电流值信号的能量和均方差进行，并对RMS有效电流信号的10个特征指标和平均有效电流信号的10个指标归一化处理后进行比较，平均有效电流信号在时频域更具有分辨能力。

综合分析得出结论，平均有效值电流信号在时域、频域和时频域中的特征值标都能较好的反映刀具磨损状态，因此可以用于刀具磨损状态监测系统的设计。

发明的有益效果

此监控装置和方法与现有技术相比，具有以下突出的有益效果：确保刀具处于合理的状态，并及时预警，保证高效的换刀策略，提高生产效率，减少整个机床因换刀而停机的时间。

附图说明

图1为电流信号检测刀具磨损的装置示意图；

图2为电流信号检测刀具磨损的方法流程图；

图3为电流信号检测刀具磨损的信号处理图。

具体实施方式

参照说明书附图对本发明作以下详细地说明：

如图1所示为监控装置示意图，变频器的输出端检测需要X、Y、Z 3个轴同时进行检测，对于三相电而言，每个轴都需要3个传感器，如果要检测输出端信号则需要9个传感器；如果采用输入侧电流信号监测方法，则只需要3个传感器对应三相电即可。硬件方面主要由电源、工业控制计算机、采集通信模块和传感器模块等构成，其中传感器为CHK-100R1开环霍尔电流传感器，数据采集使用研华USB-4711A采集卡；

如图2所示，为电流信号监测机床刀具磨损的方法流程图，一种电流信号监测机床刀具磨损的方法，包括以下步骤，首先是通过布置的3个传感器,采集变频器输入端U、V、W三相的电流信号；然后是进行信号预处理，求解三相电流信号的平均有效值；对电流信号平均有效值进行时域分析、频域分析或时频域分析；求得电流信号平均有效值在时域、频域或时频域的密度幅值；将其与标准幅值进行比较得到刀具磨损的状态，如果在小于标准幅值说明刀具状态好可以继续使用，如果大于标准幅值机器将停机报警。刀具软件部分利用Qt开发，包括数处理、机床工作状态监测、文件读写、玩过通信以及监测报告导出等模块，架构分为类库驱动、数据处理和用户界面3层。整个系统在电脑软件部分的控制下进行，有电脑刀具软件部分在获得数据后进行以上的数据处理得到如图3所示的信号处理图，如图3所示，在采集完电信号后由软件进行处理，最后得出对比图，用平均有效值电流信号在时域、频域和时频域中的特征值标来反映刀具磨损状态。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特征等常识在此未做过多描述。应当指出对于本领域的专业技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载内容可以作为解释权利要求的内容。

Claims

1.一种电流信号监测机床刀具磨损的方法，其特征在于：包括传感器、变频器、数据采集装置、工业控制计算机；所述变频器输入侧U、V、W三项分别布置一个所述传感器；所述变频器输出侧分别与机床的主轴伺服电机、X轴伺服电机、Y轴伺服电机和Z轴伺服电机连接；所述传感器与数据采集装置连接，所述数据采集装置与所述工业控制计算机连接；所述工业控制计算机，用于处理收集到的电信号；

所述电流信号监测机床刀具磨损的方法包括以下步骤，（1）采集变频器输入端U、V、W三相的电流信号；（2）求解三相电流信号的平均有效值；（3）对电流信号平均有效值进行时域分析、频域分析和时频域分析中的至少一种；（4）求得电流信号平均有效值在时域、频域和时频域的密度幅值；（5）将其与标准幅值进行比较得到刀具磨损的状态，如果在小于标准幅值说明刀具状态好可以继续使用，如果大于标准幅值机器将停机报警。

2.根据权利要求1所述的电流信号监测机床刀具磨损的方法，其特征在于，按一下方法计算三相电流信号的平均有效值：

（1）对信号进行预处理，确定收集单相电的电流有效值：

；

（2）将单相电的电流有效值离散化：

（3）确定三相电流有效值的平均值作为变频器输入侧电流的有效值：

3.根据权利要求1所述的电流信号监测机床刀具磨损的装置，其特征在于：所述传感器为开环霍尔电流传感器，所述数据采集装置为数据采集卡。

4.根据权利要求1所述的电流信号监测机床刀具磨损的方法，其特征在于：对电流信号平均有效值进行时域分析，确定时域指标包括均值、均方值、均方根值、方差、峰值、峭度、峰值因子、波形因子、脉冲因子，时域信号测量得出具体数值，统一进行归一化处理。

5.根据权利要求1所述的电流信号监测机床刀具磨损的方法，其特征在于：所述采样装置的采样率至少为100kS/s。

6.根据权力要求1所述的电流信号监测机床刀具磨损的方法，其特征在于：平均有效电流值法和传统RMS有效电流值法，对有效电流值进行频域分析，计算频域指标重心频率、均方频率、均方根频率、频率方差；对各指标进行归一化处理，将分析得到3个阶段的同一指标做差求绝对值。

7.根据权利要求1所述的电流信号监测机床刀具磨损的方法，其特征在于：对电流信号平均有效值进行时频域分析，利用db5小波对平均有效电流信号和RMS值电流信号进行小波分解，分析得到初期、正常和急剧磨损三个阶段的能量和均方差等指标，并做归一化处理。