CN111300149B - 铣削切削力在线监测方法和在线监控系统 - Google Patents

铣削切削力在线监测方法和在线监控系统 Download PDF

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Abstract

本发明及机械加工技术领域，针对切削力难以直接通过力传感器直接准确的测量出的问题，提供一种新的铣削切削力在线监测方法和在线监控系统。铣削切削力在线监测方法，该方法包括获得在线检测时间内刀具的角加速度信号at以及将角加速度信号at进行处理；其中，所述角加速度信号at进行处理步骤包括，将采集到的所述角加速度信号at按一定的采样时间间隔等分成若干段，计算出每个角加速度信号段中角加速度的最大变化量aΔ；根据每个角加速度信号段中角加速度的最大变化量aΔ计算出每个角加速度信号段中刀具的切削扭矩变化量TΔ。本发明可通过获得刀具角加速度计算出刀具切削力的大小，该方式简单、方便。

Description

铣削切削力在线监测方法和在线监控系统
技术领域
本发明涉及机械加工技术领域，具体是铣削切削力在线监测方法和在线监控系统。
背景技术
随着先进制造技术的发展，人们对制造系统提出了更高的要求。在金属铣削过程中，由于系统内部的激发和反馈机制的作用，工件与刀具之间常常会产生强烈的振动，这种自激振动称为切削颤振。颤振是机械加工过程中一种有害的现象，其不仅影响工件的加工精度，降低工件表面粗糙度，还可危害到机床自身，影响机床和刀具的寿命，增加环境噪声，降低生产效率，严重时导致刀具破损、工件报废等。
现机床颤振主要通过在线测量刀具与工件之间的相互作用的切削力的方式实现，根据刀具的切削力变化可以判断刀具振动情况，然而在铣削加工，特别是大型、特大型零件铣削加工中，切削力难以直接通过力传感器直接准确的测量出。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对切削力难以直接通过力传感器直接准确的测量出的问题，提供一种新的铣削切削力在线监测方法和在线监控系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：铣削切削力在线监测方法，该方法包括以下步骤：
获得在线检测时间内刀具的角加速度信号at以及将角加速度信号at进行处理；
其中，所述角加速度信号at进行处理步骤包括，
将采集到的所述角加速度信号at按一定的采样时间间隔等分成若干段，得到若干个角加速度信号段，找出每个信号段中角加速度的最大值和最小值，从而计算出每个角加速度信号段中角加速度的最大变化量a△；
根据每个角加速度信号段中角加速度的最大变化量a△计算出每个角加速度信号段中刀具的切削扭矩变化量T△；
根据每个角加速度信号段中刀具的切削扭矩变化量T△计算出每个角加速度信号段中刀具的最大切削力Fmax，将Fmax按采样时间的先后顺序输出，从而得出刀具的在线切削力曲线。
进一步地，所述刀具切削扭矩变化量T△计算公式为：T△＝Ja△，其中，J为切削端的总转动惯量，
Figure GDA0002929619960000021
其中，J0为机床电机转子转动惯量，Jm为刀具转动惯量，J1……Jm-1分别为中间传动部件转动惯量，n0……nm分别为对应部件的转速。
进一步地，所述刀具的切削力Fmax,
Figure GDA0002929619960000022
其中，
Figure GDA0002929619960000023
H刀具刀盘切削宽度，D为刀齿分布直径，R为刀齿分布半径,
Figure GDA0002929619960000024
Tx系数为n个刀齿运转一个刀齿位扭矩产生的变化系数，n为刀具参与切削的最大刀齿数量，n为对公式
Figure GDA0002929619960000025
的计算值进一取整，z为刀具刀齿数目。
铣削切削力在线监测系统，包括：信号采集装置，用于获得在线检测时间内刀具的角加速度信号at；以及
信号处理模块，用于将采集到的所述角加速度信号at按一定的采样时间间隔等分成若干段，得到若干个角加速度信号段，找出每个信号段中角加速度的最大值和最小值，从而计算出每个角加速度信号段中角加速度的最大变化量a△；根据每个角加速度信号段中角加速度的最大变化量a△计算出每个角加速度信号段中刀具的切削扭矩变化量T△；根据每个角加速度信号段中刀具的切削扭矩变化量T△计算出每个角加速度信号段中刀具的最大切削力Fmax，将Fmax按采样时间的先后顺序输出，从而得出刀具的在线切削力曲线。
进一步地，还包括报警模块，所述信号处理模块还用于对在线切削力曲线进行监控，当信号处理模块监控到在线切削力曲线出现超出要求范围时向所述报警模块发出报警信号。
进一步地，还包括无线信号传输模块，用于将信号采集装置采集的信号以无线传输的方式传输至信号处理模块。
本发明的有益效果是：本发明的铣削切削力在线监测方法和在线监控系统，可通过获得刀具角加速度计算出刀具切削力的大小，该方式简单、方便。
附图说明
图1是刀具铣削示意图；
图2是本发明的在线监控系统结构示意图；
图中所示：刀具1，进给方向2,工件7，信号采集装置3，信号处理模块4，报警模块5，无线信号传输模块6。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明的铣削切削力在线监测方法，该方法包括以下步骤：获得在线检测时间内刀具的角加速度信号at以及将角加速度信号at进行处理。角加速度信号at可采用角加速度传感器得出，本发明采是将三向线速度传感器安装在刀杆外周上，三向线速度传感器的安装半径为r，三向线速度传感器在沿刀杆外周方向的输出信号为ay，根据公式
Figure GDA0002929619960000031
从而得出角加速度信号at。
其中，所述角加速度信号at进行处理步骤包括：
A、将采集到的所述角加速度信号at按一定的采样时间间隔等分成若干段，得到若干个角加速度信号段，找出每个信号段中角加速度的最大值和最小值，最大值减最小值从而计算出每个角加速度信号段中角加速度的最大变化量a△；其中，采用时间间隔可为1s，即将角加速度信号at按1s分成一段信号，当然也可为其它任意数值，可知的，采样时间间隔尽可能的短。
B、根据每个角加速度信号段中角加速度的最大变化量a△计算出每个角加速度信号段中刀具的切削扭矩变化量T△；
C、根据每个角加速度信号段中刀具的切削扭矩变化量T△计算出每个角加速度信号段中刀具的最大切削力Fmax，将Fmax按采样时间的先后顺序输出，从而得出刀具的在线切削力曲线。
对于旋转系统，系统的振动方程如下可以简化为：Ja＝T，因此，扭矩随时间变化的特性导致了旋转加速度，即所述刀具切削扭矩变化量T△计算公式为：T△＝Ja△，J为机床切削端的总转动惯量(机床主轴旋转运动由内部电机驱动，因此需要考虑从电机转子部件到刀具之间所有部件的转动惯量)，
Figure GDA0002929619960000032
Figure GDA0002929619960000033
其中，J0为机床电机转子转动惯量，Jm为刀具转动惯量，J1……Jm-1分别为中间传动部件转动惯量，n0……nm分别为对应部件的转速。
Figure GDA0002929619960000034
即为机床电机与刀具之间的传动比。
扭矩变化主要基于以下两个方面的原因：(1)上沿刀齿切入或切出工件时，参与切削的齿数发生变化；
(2)刀具齿数不变时，随着时间的推移，各个刀齿切入切出工件时切削厚度发生了变化，导致切削力及扭矩发生变化。
令上沿刀齿切入或切出工件时切削厚度发生变化导致的扭矩变化量为Tq，n个刀齿运转一个刀齿位后扭矩产生的变化为Tx。刀具的切削力Fmax,
Figure GDA0002929619960000041
其中，
Figure GDA0002929619960000042
Figure GDA0002929619960000043
为刀具切入切出角(∠DOA)，
Figure GDA0002929619960000044
H刀具刀盘切削宽度，D为刀齿分布直径，R为刀齿分布半径,
Figure GDA0002929619960000045
Tx系数为n个刀齿运转一个刀齿位扭矩产生的变化系数，n为刀具参与切削的最大刀齿数量，n为对公式
Figure GDA0002929619960000046
的计算值进一取整，z为刀具刀齿数目。
根据公式
Figure GDA0002929619960000047
的计算值进一取整可得出刀具参与切削的最大刀齿数量n，然后选择对应的Tx系数。如：刀具为8齿，刀具的刀盘直径D为245.7mm，刀盘切削宽度H为220mm，
Figure GDA0002929619960000048
由此n＝4，刀具最大参与切削的刀齿数量为4。
其中，Tx系数的确定方法如下：以刀具有8个刀齿为例，即一个刀齿位为0-45°，刀具最大参与切削的刀齿数量为n，n个刀齿运转一个刀齿位扭矩产生的变化Tx为(参见图1)：
(1)当只有1个刀齿切削时，即刀齿从D点到C点：
Tx＝Tx系数×R×Fmax＝sin45°×R×Fmax＝0.71×R×Fmax
(2)当有两个刀齿切削时，刀齿从DC点运动到CB点：
Figure GDA0002929619960000049
(3)当有三个刀齿切削时，刀齿从DCB点运动到CBA点：
Figure GDA00029296199600000410
(4)当有4个刀齿同时切削时，刀齿从DCBA点往逆时针方向运动一个齿位，即45°，此时的扭矩与第4个刀齿刚切入时的扭矩之差为：
Figure GDA00029296199600000411
Figure GDA00029296199600000412
由于末端与起始端扭矩相同，因此当运动半个齿位(即22.5°)时，扭矩变化最大：
Figure GDA0002929619960000051
当刀具有10个刀齿时，一个刀齿位为0-36°，亦按照上述方式依次确定刀具有N个刀齿同时切削时的Tx系数，
如：当只有1个刀齿切削时，即刀齿从D点到C点：
Tx＝Tx系数×R×Fmax＝sin 36°×R×Fmax＝0.59×R×Fmax
本发明的铣削切削力在线监测方法，通过获得刀具角加速度计算出刀具切削力的大小，该方式简单、方便，特别适用于大型、特大型零件铣削加工中。
本发明还提供一种铣削切削力在线监测系统，包括：信号采集装置3，用于获得在线检测时间内刀具的角加速度信号at；以及
信号处理模块4，用于将采集到的所述角加速度信号at按一定的采样时间间隔等分成若干段，得到若干个角加速度信号段，找出每个信号段中角加速度的最大值和最小值，从而计算出每个角加速度信号段中角加速度的最大变化量a△；根据每个角加速度信号段中角加速度的最大变化量a△计算出每个角加速度信号段中刀具的切削扭矩变化量T△；根据每个角加速度信号段中刀具的切削扭矩变化量T△计算出每个角加速度信号段中刀具的最大切削力Fmax，将Fmax按采样时间的先后顺序输出，从而得出刀具的在线切削力曲线。
还包括报警模块5，信号处理模块4还用于对在线切削力曲线进行监控，当信号处理模块4监控到在线切削力曲线出现超出要求范围时向所述报警模块5发出报警信号。
通过该切削力在线监测系统可以了解刀具在加工过程中的颤振情况，实现刀具切削振动等物理参量在线监测，并可根据不同刀具、不同切削参数下的切削力曲线平滑度实现切削用量的科学调节，切削参数的优化(选择合理的切削用量和切削参数)，从而达到减小刀具的磨损，提高切削刀具寿命目的。
其中，信号采集装置可以是线速度传感器或角加速度传感器。
由于信号采集装置需要测得刀具角加速度信号at，需随刀具转动，信号采集装置与信号处理模块之间采样有线的方式，不便于布线，由此优选的，系统还包括无线信号传输模块6，用于将信号采集装置采集的信号以无线传输的方式传输至信号处理模块。其中，无线传输方式可以是wifi、蓝牙等。

Claims (5)

1.铣削切削力在线监测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
获得在线检测时间内刀具的角加速度信号at以及将角加速度信号at进行处理；
其中，所述角加速度信号at进行处理步骤包括：
将采集到的所述角加速度信号at按一定的采样时间间隔等分成若干段，得到若干个角加速度信号段，找出每个信号段中角加速度的最大值和最小值，从而计算出每个角加速度信号段中角加速度的最大变化量a△；
根据每个角加速度信号段中角加速度的最大变化量a△计算出每个角加速度信号段中刀具的切削扭矩变化量T△；
根据每个角加速度信号段中刀具的切削扭矩变化量T△计算出每个角加速度信号段中刀具的最大切削力Fmax，将Fmax按采样时间的先后顺序输出，从而得出刀具的在线切削力曲线，所述刀具的最大切削力Fmax,
Figure FDA0002929619950000011
其中，
Figure FDA0002929619950000012
Figure FDA0002929619950000013
为刀具切入切出角，
Figure FDA0002929619950000014
H刀具刀盘切削宽度，D为刀齿分布直径，R为刀齿分布半径,
Figure FDA0002929619950000015
Tx系数为n个刀齿运转一个刀齿位扭矩产生的变化系数，n为刀具参与切削的最大刀齿数量，n为对公式
Figure FDA0002929619950000016
的计算值进一取整，z为刀具刀齿数目。
2.如权利要求1所述的铣削切削力在线监测方法，其特征在于，所述刀具的切削扭矩变化量T△计算公式为：T△＝Ja△，其中，J为切削端的总转动惯量，
Figure FDA0002929619950000017
Figure FDA0002929619950000018
其中，J0为机床电机转子转动惯量，Jm为刀具转动惯量，J1……Jm-1分别为中间传动部件转动惯量，n0……nm分别为对应部件的转速。
3.用于权利要求1或2所述的铣削切削力在线监测方法的铣削切削力在线监测系统，其特征在于，包括：信号采集装置，用于获得在线检测时间内刀具的角加速度信号at；以及
信号处理模块，用于将采集到的所述角加速度信号at按一定的采样时间间隔等分成若干段，得到若干个角加速度信号段，找出每个信号段中角加速度的最大值和最小值，从而计算出每个角加速度信号段中角加速度的最大变化量a△，并根据每个角加速度信号段中角加速度的最大变化量a△计算出每个角加速度信号段中刀具的切削扭矩变化量T△，并根据每个角加速度信号段中刀具的切削扭矩变化量T△计算出每个角加速度信号段中刀具的最大切削力Fmax，将Fmax按采样时间的先后顺序输出，从而得出刀具的在线切削力曲线。
4.如权利要求3所述的铣削切削力在线监测系统，其特征在于，还包括报警模块，所述信号处理模块还用于对在线切削力曲线进行监控，当信号处理模块监控到在线切削力曲线出现超出要求范围时向所述报警模块发出报警信号。
5.如权利要求3所述的铣削切削力在线监测系统，其特征在于，还包括无线信号传输模块，用于将信号采集装置采集的信号以无线传输的方式传输至信号处理模块。
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