CN112828679A - 一种主轴切削力在线测量系统及方法 - Google Patents

一种主轴切削力在线测量系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种主轴切削力在线测量系统及方法，通过在主轴前端安装电磁轴承施加主动电磁力，采用锤击法测量刀具刀尖切削力作用点处和主轴上的主动电磁力施加位置之间在垂直于主轴轴线方向上的位移响应的力的传递函数；利用电磁轴承对转子施加电磁力以抵消切削力引起的主轴在垂直于主轴轴线方向上振动位移；根据用以抵消切削力引起的主轴振动位移的电磁力与在该方向上力的传递函数乘积即为主轴在该方向上的切削力大小，实现了铣削加工切削力的在线间接测量，通过电磁轴承控制技术，在主动电磁力与切削力关系的基础上，所获得的切削力测量值更接近真实值。解决了传统基于测力仪实现切削力测量方法成本昂贵、难以实际工程应用的问题。

Description

一种主轴切削力在线测量系统及方法
技术领域
本发明属于高端智能化机床领域，主要涉及一种主轴切削力在线测量系统及方法。
背景技术
在数控机床加工过程中，主轴加工系统的状态直接影响其加工性能与实际加工质量。因此，如何对主轴的加工状态进行感知已经成为高端主轴系统设计开发所需要面临的重要问题。
目前，常见的状态感知方法主要通过在主轴内部集成传感器，测量振动、温度、声音、电流等信号，采用信号处理方式和特征指标设计实现主轴加工系统的性能监测和状态评估。在铣削加工过程中，考虑到切削力的变化直接反映了主轴的切削加工状态，因此通过切削力的监测可以对主轴加工系统的状态进行感知与分析。例如，通过实时监测切削力的变化，可以对主轴的工作(负载)状态进行感知，也可以基于切削力监测信息对铣削过程中刀具的状态进行感知与识别，具体地，对刀具的状态如刀具磨损、刀具折断和刀具崩刃等进行识别，最终有利于提高机床主轴的智能化程度。因此，切削力信号的实时测量对精准地实现铣削过程中刀具状态的感知与评估有重大意义。
目前在铣削加工过程的切削力测量方面，常用的方法是使用三向测力仪等实验设备。然而，此类铣削力测量实验设备往往成本十分昂贵，并且对工件的安装尺寸等有要求，因此主要用于科学实验研究等场合，在实际切削加工过程的应用具有显著的局限性。因此，如何寻求一种新的适用于实际切削加工过程的铣削力测量方法是亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种主轴切削力在线测量系统及方法，以克服现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种主轴切削力在线测量方法，包括以下步骤：
S1，在主轴前端安装电磁轴承施加主动电磁力，采用锤击法测量刀具刀尖切削力作用点处和主轴上的主动电磁力施加位置之间在垂直于主轴轴线方向上的位移响应的力的传递函数；
S2，通过电磁感应原理，利用电磁轴承对转子施加电磁力以抵消切削力引起的主轴在垂直于主轴轴线方向上振动位移；
S3，根据步骤s2得到的用以抵消切削力引起的主轴振动位移的电磁力与在该方向上力的传递函数乘积即为主轴在该方向上的切削力大小。
进一步的，步骤1)中，在主轴前端位于电磁轴承一侧设置电涡流传感器，采用锤击法得到刀具刀尖切削力作用点处和安装在主轴上的电涡流传感器的测量位置处之间在垂直于主轴轴线方向上的位移响应的传递函数。
进一步的，根据振动系统传递函数特点，得到的刀具刀尖点处切削力作用点与主动电磁力施加位置处之间的力的传递函数即为该方向上的位移响应的传递函数。
进一步的，通过获取电磁轴承位置处位移反馈信号与电磁轴承控制器的输出控制电流信号计算在电磁轴承施加在主轴系统两个垂直于主轴轴线方向上的主动电磁力Fa,x和Fa,y。
进一步的，根据电磁轴承工作原理，在X方向上的电磁力：
Fa,x＝kiic+kss (7)
式中：ic——线圈控制电流/A；s——定子铁芯与转子铁芯间的气隙变化量/m；ki——电流刚度系数/N·A-1；ks——位移刚度系数/N·m-1；其中：
Figure BDA0002879773600000031
Figure BDA0002879773600000032
Figure BDA0002879773600000033
式中：i0——线圈偏置电流/A；c0——定子铁芯与转子铁芯间的气隙大小/m；μ0＝4π×10-7V·s/(A·m)——真空磁导率；A——磁路的横截面积/m2；N——磁极对线圈的匝数。
联立(1)-(4)式即可求得电磁轴承在x方向上输出的电磁力Fa,x，同理可求得电磁轴承在y方向上输出的电磁力Fa,y。
进一步的，在垂直于主轴轴线的两个垂直方向上分别利用对称安装的两个电涡流位移传感器数据获得在这两个垂直方向上的实际位移响应。
进一步的，在X方向上，对称安装的两个电涡流传感器与主轴表面的初始距离为qa0,x，在一次振动时，两个电涡流传感器测得距离值分别为qa1,x和qa2,x，得到主轴在x向的位移大小：
Figure BDA0002879773600000034
根据所得位移qa,x，改变控制电流ic大小，控制电磁轴承输出相应的电磁力Fa,x，使主轴产生反向位移抵消切削力引起的主轴振动位移；
则在刀尖处切削力在X方向的分量：
Figure BDA0002879773600000035
同理，可求得刀尖处切削力在y向的分量Ft,y。
一种主轴切削力在线测量系统，包括刀具、主轴、转子铁芯、定子铁芯、电涡流传感器和控制器，转子铁芯固定于主轴上，定子铁芯设置于转子铁芯外圈，定子铁芯上绕设有线圈，定子铁芯与转子铁芯构成主轴前端的电磁轴承；主轴的前端外圈和刀具端部外圈均设置有电涡流传感器，电涡流传感器用于分别采集主轴前端的位移信号和刀具切削力点的位移信号并反馈给控制器，控制器连接于电磁轴承，控制器根据所得位移信号改变控制电磁轴承的电流大小，控制电磁轴承输出相应的电磁力，使主轴产生反向位移抵消切削力引起的主轴振动位移。
进一步的，主轴上固定有主轴电机转子，主轴电机转子外圈固定有主轴电机定子，主轴电机转子和主轴电机定子构成主轴电机，主轴上位于主轴电机转子两端分别固定有后轴承组和前轴承组，主轴的前端通过刀柄固定安装刀具。
进一步的，主轴的前端外圈和刀具端部外圈均设置有四个用于采集主轴前端的位移信号并反馈给电磁轴承控制器的电涡流传感器。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种主轴切削力在线测量方法，通过在主轴前端安装电磁轴承施加主动电磁力，采用锤击法测量刀具刀尖切削力作用点处和主轴上的主动电磁力施加位置之间在垂直于主轴轴线方向上的位移响应的力的传递函数；利用电磁轴承对转子施加电磁力以抵消切削力引起的主轴在垂直于主轴轴线方向上振动位移；根据用以抵消切削力引起的主轴振动位移的电磁力与在该方向上力的传递函数乘积即为主轴在该方向上的切削力大小，实现了铣削加工切削力的在线间接测量，在测量精度方面具有更大的优势，本发明融合电磁轴承位移反馈信息与控制电流信息实现了铣削加工切削力的在线间接监测。通过电磁轴承控制技术，在主动电磁力与切削力关系的基础上，所获得的切削力测量值更接近真实值。所以通过本方法获得的切削力测量值可靠性好。解决了传统基于测力仪实现切削力测量方法成本昂贵、难以实际工程应用的问题。
本发明一种主轴切削力在线测量系统，利用定子铁芯与转子铁芯构成主轴前端的电磁轴承，以电磁轴承为智能感知单元，形成内置电磁轴承混合支承电主轴系统，实现了铣削加工切削力的在线间接测量，相比于传统基于测力仪实现切削力测量的方法，所需成本更低，此外，本方法在实现切削力测量的同时，不会影响主轴本身正常的加工作业，有利于实际工程的应用。
附图说明
图1为本发明实施例中系统结构示意图。
图2为本发明实施例中方向上位移响应传递函数的测量示意图。
图3为本发明实施例中电磁轴承工作原理示意图。
其中，1、刀具，2、主轴电机转子，3、主轴电机定子，4、后轴承组，5、主轴，6、前轴承组，7、转子铁芯，8、定子铁芯，9、电涡流传感器，10、刀柄。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，一种主轴切削力在线测量系统，包括转子铁芯7、定子铁芯8、电涡流传感器9和控制器11，转子铁芯7固定于主轴5上，定子铁芯8设置于转子铁芯7外圈，定子铁芯8上绕设有线圈，定子铁芯8与转子铁芯7构成主轴前端的电磁轴承，用于向主轴5施加电磁力；主轴5的前端外圈和刀具1端部外圈均设置有电涡流传感器9，分别采集主轴前端的位移信号和刀具切削力点的位移信号并反馈给控制器11，控制器11连接于电磁轴承；本申请主轴5上固定有主轴电机转子2，主轴电机转子2外圈固定有主轴电机定子3，主轴电机转子2和主轴电机定子3构成主轴电机，主轴5上位于主轴电机转子2两端分别固定有后轴承组4和前轴承组6，后轴承组4和前轴承组6用于支承主轴，主轴5的前端通过刀柄10固定安装有刀具1。
主轴5上的前轴承组6和后轴承组4，用于支承主轴；安装在主轴5上的电机转子2与电机定子3共同构成主轴电机，用于驱动主轴旋转；刀柄10安装于主轴5前端，刀具1安装于刀柄10上；安装于主轴5上的转子铁芯7与绕有线圈的定子铁芯8共同构成主轴前端的电磁轴承，用于向主轴施加电磁力；4个电涡流传感器9沿周向均匀布置在主轴5前端，用于采集主轴前端的位移信号并反馈给电磁轴承控制器。
一种主轴切削力在线测量方法，包括以下步骤：
1)、基于内置电磁轴承混合支承的电主轴系统，测量刀具刀尖点处切削力作用点处与主轴上的主动电磁力施加位置之间在垂直于主轴轴线方向上的位移响应的力的传递函数；
通过在主轴前端安装电磁轴承和电涡流传感器，采用锤击法得到刀具刀尖点位移激励处和安装在主轴上的电涡流传感器的测量位置处之间在垂直于主轴轴线方向上的位移响应的传递函数；本申请主轴方向为z向，y向和x向分别垂直于主轴方向。
如图2所示，采用锤击法，以x方向为例，用力锤在刀具刀尖点处，沿x方向上施加激励，在刀具刀尖外侧和主轴端部分别设置一个位移传感器，具体采用电涡流传感器，利用信号采集系统采集对应激励方向上安装在刀具刀尖点处和安装在主轴上的位移传感器的位移数据，根据位移数据得到刀具刀尖点位移激励处和安装在主轴上的位移传感器的测量位置处之间在x方向上的位移响应的传递函数
Figure BDA0002879773600000071
同理测得刀具刀尖点位移激励处和安装在主轴上的位移传感器的测量位置处之间在y方向上的位移响应的传递函数
Figure BDA0002879773600000072
考虑到主轴前端位移传感器的信号采集位置与主动电磁力施加位置的距离较近，相比于刀具刀尖点处位移激励作用点到主动电磁力施加位置的距离可以忽略不计，因此可以近似认为刀具刀尖点处位移激励处与主动电磁力施加位置处之间的位移响应的传递函数在x方向上为
Figure BDA0002879773600000073
由振动系统传递函数的特点可知，刀具刀尖点处切削力作用点与主动电磁力施加位置处之间的力的传递函数
Figure BDA0002879773600000074
同理，可以测得y方向上的力的传递函数为
Figure BDA0002879773600000075
2)主轴加工过程中，电磁轴承所输出的主动电磁力大小的计算：
如图3所示，本方法在主轴前端安装的电磁轴承对称分布了8个磁极12，磁极12外圈设有线圈13，每相邻的两个磁极(夹角为2α)形成一个磁极对，两个对称分布的磁极对形成差动磁极对，通过电磁感应原理，对转子施加电磁力。以x向为例，根据电磁轴承工作原理，可知电磁力：
Fa,x＝kiic+kss (13)
式中：ic——线圈控制电流/A；s——定子铁芯与转子铁芯间的气隙变化量/m；ki——电流刚度系数/N·A-1；ks——位移刚度系数/N·m-1。其中：
Figure BDA0002879773600000076
Figure BDA0002879773600000077
Figure BDA0002879773600000081
式中：i0——线圈偏置电流/A；c0——定子铁芯与转子铁芯间的气隙大小/m；μ0＝4π×10-7V·s/(A·m)——真空磁导率；A——磁路的横截面积/m2；N——磁极对线圈的匝数。
联立(1)-(4)式即可求得电磁轴承在x方向上输出的电磁力Fa,x，同理可求得电磁轴承在y方向上输出的电磁力Fa,y。
通过电磁轴承输出的主动电磁力计算主轴加工过程中切削力的大小：
利用位移传感器获取由切削力引起的主轴在一个方向上的位移大小，然后通过调整电磁轴承的电流，输出抵消切削力引起的主轴振动位移的电磁力，所施加的电磁力与该方向上力的传递函数成绩即为刀尖处切削力在该方向的分量，从而实现主轴切削力的测量，上述测量可以在主轴工作状态下一直进行，从而得到主轴在加工过程中切削力的实时信息。
在加工过程中，由于切削力的作用，主轴前端在x-y平面内产生振动位移。如图3所示，4个电涡流传感器两两一组，分别布置在x、y两个方向上，测量各方向的位移，从而得到主轴前端在x-y平面内的位移大小和方向。
以x向为例，设电涡流传感器与主轴表面的初始距离为qa0,x，在某一次振动时，两个传感器测得距离值分别为qa1,x和qa2,x，容易得到x向的位移大小：
Figure BDA0002879773600000082
电磁轴承控制器根据所得位移qa,x，改变控制电流ic大小，控制电磁轴承输出相应的电磁力Fa,x，使主轴产生反向位移，从而抵消切削力引起的主轴振动位移。
结合1)中的分析计算，可知刀尖处切削力在x向的分量：
Figure BDA0002879773600000091
同理，可求得刀尖处切削力在y向的分量Ft,y。
上述测量可以在主轴工作状态下一直进行，从而得到主轴在加工过程中切削力的实时信息。

Claims (10)

1.一种主轴切削力在线测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，在主轴前端安装电磁轴承施加主动电磁力，采用锤击法测量刀具刀尖切削力作用点处和主轴上的主动电磁力施加位置之间在垂直于主轴轴线方向上的位移响应的力的传递函数；
S2，通过电磁感应原理，利用电磁轴承对转子施加电磁力以抵消切削力引起的主轴在垂直于主轴轴线方向上振动位移；
S3，根据步骤s2得到的用以抵消切削力引起的主轴振动位移的电磁力与在该方向上力的传递函数乘积即为主轴在该方向上的切削力大小。
2.根据权利要求1所述的一种主轴切削力在线测量方法，其特征在于，步骤1)中，在主轴前端位于电磁轴承一侧设置电涡流传感器，采用锤击法得到刀具刀尖切削力作用点处和安装在主轴上的电涡流传感器的测量位置处之间在垂直于主轴轴线方向上的位移响应的传递函数。
3.根据权利要求2所述的一种主轴切削力在线测量方法，其特征在于，根据振动系统传递函数特点，得到的刀具刀尖点处切削力作用点与主动电磁力施加位置处之间的力的传递函数即为该方向上的位移响应的传递函数。
4.根据权利要求1所述的一种主轴切削力在线测量方法，其特征在于，通过获取电磁轴承位置处位移反馈信号与电磁轴承控制器的输出控制电流信号计算在电磁轴承施加在主轴系统两个垂直于主轴轴线方向上的主动电磁力Fa,x和Fa,y。
5.根据权利要求4所述的一种主轴切削力在线测量方法，其特征在于，具体的，根据电磁轴承工作原理，在X方向上的电磁力：
Fa,x＝kiic+kss (1)
式中：ic——线圈控制电流/A；s——定子铁芯与转子铁芯间的气隙变化量/m；ki——电流刚度系数/N·A-1；ks——位移刚度系数/N·m-1；其中：
Figure FDA0002879773590000021
Figure FDA0002879773590000022
Figure FDA0002879773590000023
式中：i0——线圈偏置电流/A；c0——定子铁芯与转子铁芯间的气隙大小/m；μ0＝4π×10-7V·s/(A·m)——真空磁导率；A——磁路的横截面积/m2；N——磁极对线圈的匝数；
联立(1)-(4)式即可求得电磁轴承在x方向上输出的电磁力Fa,x，同理可求得电磁轴承在y方向上输出的电磁力Fa,y。
6.根据权利要求5所述的一种主轴切削力在线测量方法，其特征在于，具体的，在垂直于主轴轴线的两个垂直方向上分别利用对称安装的两个电涡流位移传感器数据获得在这两个垂直方向上的实际位移响应。
7.根据权利要求5所述的一种主轴切削力在线测量方法，其特征在于，具体的，在X方向上，对称安装的两个电涡流传感器与主轴表面的初始距离为qa0,x，在一次振动时，两个电涡流传感器测得距离值分别为qa1,x和qa2,x，得到主轴在x向的位移大小：
Figure FDA0002879773590000024
根据所得位移qa,x，改变控制电流ic大小，控制电磁轴承输出相应的电磁力Fa,x，使主轴产生反向位移抵消切削力引起的主轴振动位移；
则在刀尖处切削力在X方向的分量：
Figure FDA0002879773590000025
同理，可求得刀尖处切削力在y向的分量Ft,y。
8.一种用于权利要求1所述一种主轴切削力在线测量方法的主轴切削力在线测量系统，其特征在于，包括刀具(1)、主轴(5)、转子铁芯(7)、定子铁芯(8)、电涡流传感器(9)和控制器(11)，转子铁芯(7)固定于主轴(5)上，定子铁芯(8)设置于转子铁芯(7)外圈，定子铁芯(8)上绕设有线圈，定子铁芯(8)与转子铁芯(7)构成主轴前端的电磁轴承；主轴(5)的前端外圈和刀具(1)端部外圈均设置有电涡流传感器(9)，电涡流传感器(9)用于分别采集主轴前端的位移信号和刀具切削力点的位移信号并反馈给控制器(11)，控制器(11)连接于电磁轴承，控制器(11)根据所得位移信号改变控制电磁轴承的电流大小，控制电磁轴承输出相应的电磁力，使主轴产生反向位移抵消切削力引起的主轴振动位移。
9.根据权利要求8所述一种主轴切削力在线测量系统，其特征在于，主轴(5)上固定有主轴电机转子(2)，主轴电机转子(2)外圈固定有主轴电机定子(3)，主轴电机转子(2)和主轴电机定子(3)构成主轴电机，主轴(5)上位于主轴电机转子(2)两端分别固定有后轴承组(4)和前轴承组(6)，主轴(5)的前端通过刀柄(10)固定安装刀具(1)。
10.根据权利要求8所述一种主轴切削力在线测量系统，其特征在于，主轴(5)的前端外圈和刀具(1)端部外圈均设置有四个用于采集主轴前端的位移信号并反馈给电磁轴承控制器的电涡流传感器(9)。
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