CN112764391B - 一种数控滚齿机床窜刀动态调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种数控滚齿机床窜刀动态调整方法，包括以下步骤，进行滚刀切削试验；采集滚刀主轴振动信号x_n，构建磨损状态指标x；计算所有刀位磨损状态指标均值

构建刀位磨损状态指标对刀位磨损状态指标均值的隶属度函数F(i)；计算当前刀位隶属度；根据隶属度比较变换刀位；本发明不需要对刀具磨损量进行测量，而是通过采集装置对实时获取的滚齿机滚刀主轴振动信号进行特征提取，得到反映滚刀磨损状态的指标，提高了生产效率；本发明通过动态调整滚刀轴向坐标让磨损程度较低的刀位进入切削区，刀齿趋近于相同的磨损状态；本发明能有效避免各个刀位磨损不均匀的现象，根据实际情况充分利用各个刀位的切削能力，提高了刀具使用时间和零件表面质量。

Description

一种数控滚齿机床窜刀动态调整方法

技术领域

本发明涉及数控机床领域，主要涉及一种根据刀位磨损情况动态调整滚刀轴向位置的自动窜刀方法。

背景技术

滚刀加工工件时，每个刀齿的切削时间和负荷不同，因此磨损量也不相同。生产过程中数控滚齿机往往在完成一定工件加工后进行自动窜刀来减少刀齿磨损。窜刀能够避免少数刀齿严重磨损，大部分刀齿轻微磨损或者无磨损的情况，使滚刀多数刀齿都能依次均匀地磨损，避免使用同一个刀位切削工件，减少刀具更换频率，提高效率。

经过对现有技术的检索发现，窜刀方法都是通过设置窜刀参数，在加工过程中实现定长、定量自动窜刀。当前刀位完成加工预设的工件数量后按照计算出的窜刀长度及给定的窜刀方向改变刀具位置，然后在新的刀位加工工件；例如中国专利CN111881860A公开了一种滚刀磨损在位识别模型建模方法及滚刀磨损在位识别方法，对原有信号样本数据库的获取方式与样本类型进行改良与扩充，使样本数据库能够准确反映热变形与齿坯加工余量不均匀性对电流信号样本信噪比的影响，再融合人工特征提取在排除低价值信息的优点与深度学习算法在高品质特征提取与分类上的优势，相互配合建立对误差影响权重变化具有强表达能力、可反映不同工况模式的分类特征群组，实现对刀具磨损状态的高质量整体表征，以此为数学基础，建立并行识别框架的滚刀磨损在位识别模型建模，实现高精度和强鲁棒性的滚刀磨损在位识别；上述窜刀方法存在一个问题，那就是在相同加工时间下不同刀位的磨损值不同，同一个刀位由于偶然因素的作用磨损值也不同。刀具磨损状态与刀具材料均匀性、加工工件的材料均匀性、切削环境等紧密相关，如果每个刀位的耐用性不同，窜刀时间相同，将导致每个刀位的磨损值不同，因此定长、定量的自动窜刀方法无法根据刀位的实际情况做调整。

发明内容

本发明的目的是提供一种数控滚齿机床窜刀动态调整方法，通过采集装置实时获取滚齿机滚刀主轴的振动信号，动态调整滚刀轴向坐标让磨损程度较低的刀位进入切削区，使得所有的刀齿趋近相同的磨损状态。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供一种数控滚齿机床窜刀动态调整方法，所述方法包括以下步骤，

(1)进行滚刀切削试验；

(2)采集滚刀主轴振动信号x_n，构建磨损状态指标x；

(3)计算所有刀位磨损状态指标均值

(4)构建隶属度函数F(i)；

(5)计算当前刀位隶属度；

(6)根据隶属度法比较变换刀位。

进一步地，所述滚刀主轴振动信号x_n是通过采集装置实时获取，所述滚刀主轴振动信号采集后提取磨损特征，所述磨损特征即为磨损状态指标。

进一步地，所述构建磨损状态指标是通过对滚刀振动信号x_n进行离散傅里叶变换计算振动信号频谱s_k，将能量集中的频带作为计算频带B_w来构建。

进一步地，步骤(2)中，构建的磨损状态指标x为：

其中，k是计算频带的谱线序列号；

f_c为滚刀的固有频率；计算频带下限频率B₁＝0.75f_c；计算频带上限频率B₂＝1.25f_c；计算带宽的谱线数

sk为振动信号频谱；

进一步地，步骤(3)中，设置刀位序号为i，i＝1，2，3，…，n，n是刀位总数，x_i为第i个刀位的磨损状态指标，所述所有刀位磨损状态指标均值

为：

所有刀位磨损状态指标的最大值为：

x_max＝max{x_i，i＝1，2，3，…，n}；

所有刀位磨损状态指标的最小值为：

x_min＝min{x_i，i＝1，2，3，…，n}；

进一步地，步骤(4)中，所述隶属度函数F(i)为：

其中，x_i是第i个刀位的磨损状态指标，表示当前刀位的磨损状态指标；

是所有刀位磨损状态指标均值；

x_max是所有刀位磨损状态指标的最大值；

x_min是所有刀位磨损状态指标的最小值。

进一步地，步骤(6)中，隶属度比较法具体过程如下：

1)工件加工完毕；

2)计算当前刀位的磨损状态指标；

3)计算当前刀位的隶属度；

4)判断当前刀位的隶属度是否小于零，若当前刀位的隶属度小于零，则当前刀位继续加工；若当前刀位的隶属度大于等于零，则重新计算各刀位的隶属度，选取隶属度最小的刀位作为切削刀位；重复步骤1)，2)，3)和4)直到滚刀需要修磨或者工件表面粗糙度不符合要求，结束加工。

本发明具有如下有益效果：(1)本发明不需要对刀具磨损量进行测量，而是通过采集装置对实时获取的滚齿机滚刀主轴振动信号进行特征提取，得到反映滚刀磨损状态的指标，提高了生产效率；

(2)本发明通过动态调整滚刀轴向坐标让磨损程度较低的刀位进入切削区，刀齿趋近于相同的磨损状态；

(3)本发明能有效避免各个刀位磨损不均匀的现象，根据实际情况充分利用各个刀位的切削能力，提高了刀具使用时间和零件表面质量。

附图说明

图1是本发明基于数控滚齿机床窜刀方法的流程示意图。

图2是本发明的振动信号采集装置示意图。

图3是本发明隶属度比较法的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细描述，应当指出的是，实施例只是对本发明的具体阐述，不应视为对本发明的限定，实施例的目的是为了让本领域技术人员更好地理解和再现本发明的技术方案，本发明的保护范围仍应当以权利要求书所限定的范围为准。

如图1所示，本实施例提供了本发明提供一种数控滚齿机床窜刀动态调整方法，所述方法包括以下步骤：

S1，进行滚刀切削试验；

S2，采集滚刀主轴振动信号x_n，构建磨损状态指标x；

S3，计算所有刀位磨损状态指标均值

S4，构建隶属度函数F(i)；

S5，计算当前刀位隶属度；

S6，根据隶属度法比较变换刀位。

如图2所示，本实施例提供了一种数控滚齿机床滚刀主轴振动信号采集装置10，以实现对振动信号的实时采集和磨损状态指标计算，该信号采集装置10包括：振动加速度传感器11、采集软件12和采集卡13，该装置的具体实现过程如下：

振动加速度传感器获取滚刀主轴z方向的振动信号，通过采集卡传输到采集软件上，截取并保存加工稳定阶段的振动信号；对信号进行特征计算，在本实施方案中对振动信号中的磨损信息采集磨损状态指标。

磨损状态指标的具体构建过程如下：

所述滚刀主轴振动信号x_n是通过采集装置10实时获取，所述滚刀主轴振动信号采集后提取磨损特征；设置振动信号的采样率为f_s，采样点数为N，滚刀的固有频率为f_c，对滚刀主轴振动信号进行离散傅里叶变换计算振动信号频谱sk，计算公式为：

计算频带B_w计算公式为：

B_w＝0.5f_c；

磨损状态指标x的计算公式为：

其中：k是计算频带的谱线序列号；

j是虚数单位；π是常数，数值为3.1415926；e是常数，数值为2.718281828459；n是振动信号初始数据序列中的序列个数；

计算频带下限频率B₁＝0.75f_c；计算频带上限频率B₂＝1.25f_c；计算频带的谱线数

sk为振动信号频谱；

进行滚刀切削试验，将新磨的滚刀和采集系统安装完毕后，开始加工工件，按给定的窜刀长度和方向进行窜刀，得到每个刀位加工工件时滚刀主轴的振动信号，采集系统计算出滚刀每个刀位的磨损状态指标x_i，设置刀位序号为i，i＝1，2，3，…，z；z是刀位总数；x_i为第i个刀位的磨损状态指标，所有刀位磨损状态指标均值

的计算公式为：

所有刀位磨损状态指标的最大值计算公式为：

x_max＝max{x_i，i＝1，2，3，…，z}；

所有刀位磨损状态指标的最小值计算公式为：

x_min＝min{x_i，i＝1，2，3，…，z}；

为了衡量滚刀各刀位磨损状态之间的差异水平，构造当前刀位的磨损状态指标x对刀位平均磨损状态指标

的隶属度函数F(i)，隶属度函数F(i)计算公式如下：

设置各刀位中的最小隶属度值为F(m)，则最小隶属度计算公式为：

F(m)＝min{F(i)，i＝1，2，3，…，n}；

选取第m个刀位作为初始加工刀位，根据隶属度比较法进行变换刀位。

如图3所示，隶属度比较法具体过程如下：

S1，当前刀位加工；

S3，计算当前刀位的磨损状态指标；

S4，计算当前刀位的隶属度；

S5，判断当前刀位的隶属度是否小于零，若当前刀位的隶属度小于零，则当前刀位继续加工；若当前刀位的隶属度大于等于零，则重新计算各刀位的隶属度，选取隶属度最小的刀位作为切削刀位；重复步骤S1，S2，S3和S4直到滚刀需要修磨或者工件表面粗糙度不符合要求，结束加工。

上述的对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种数控滚齿机床窜刀动态调整方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤，

（1）进行滚刀切削试验；

（2）采集滚刀主轴振动信号

，构建磨损状态指标

；

构建的磨损状态指标

为：

；

其中，

是计算频带的谱线序列号；

为滚刀的固有频率；计算频带下限频率

；计算频带上限频率

；计算频带的谱线数

；

为振动信号频谱；

（3）计算所有刀位磨损状态指标均值

；

设置刀位序号为

，n是刀位总数，

为第i个刀位的磨损状态指标，所述所有刀位磨损状态指标均值

为：

；

所有刀位磨损状态指标的最大值为：

；

所有刀位磨损状态指标的最小值为：

；

（4）构建隶属度函数

；

所述隶属度函数

为：

；

其中，

是第i个刀位的磨损状态指标，表示当前刀位的磨损状态指标；

是所有刀位磨损状态指标均值；

是所有刀位磨损状态指标的最大值；

是所有刀位磨损状态指标的最小值；

（5）计算当前刀位隶属度；

（6）根据隶属度法比较变换刀位；

隶属度比较法具体过程如下：

1）工件加工完毕；

2）计算当前刀位的磨损状态指标；

3）计算当前刀位的隶属度；

4）判断当前刀位的隶属度是否小于零，若当前刀位的隶属度小于零，则当前刀位继续加工；若当前刀位的隶属度大于等于零，则重新计算各刀位的隶属度，选取隶属度最小的刀位作为切削刀位；重复步骤1），2），3）和4）直到滚刀需要修磨或者工件表面粗糙度不符合要求，结束加工。

2.根据权利要求1所述的一种数控滚齿机床窜刀动态调整方法，其特征在于，所述滚刀主轴振动信号

是通过采集装置实时获取，所述滚刀主轴振动信号采集后提取磨损特征。

3.根据权利要求1所述的一种数控滚齿机床窜刀动态调整方法，其特征在于，所述构建磨损状态指标是通过对滚刀主轴振动信号

进行离散傅里叶变换计算振动信号频谱

，将能量集中的频带作为计算频带

来构建。

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