CN114683091A - 基于低温微量润滑切削的智能制造系统 - Google Patents
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Abstract
发明提供基于低温微量润滑切削的智能制造系统。该智能制造系统的低温微量润滑装置具有数字化操作界面，可以手动、自动调节控制低温微量润滑参数，与上位机通讯可以满足实时智能调控低温微量润滑参数的要求。同时，本发明具有传感单元，可以实时检测低温微量润滑切削状态，通过上位机求解获得优化的数控机床切削参数和低温微量润滑参数。上位机与数控机床、低温微量润滑装置之间的通讯，通过前期工艺数据建立对应工艺数据库，实现在加工中切削参数和低温微量润滑参数的自动匹配，同时可以实现上位机对数控机床、低温微量润滑装置的实时监控，实现装置的运行情况监控，生成生产报表。
Description
技术领域
本发明涉及金属切削加工领域，特别涉及基于低温微量润滑切削的智能制造系统。
背景技术
由于传统浇注式冷却切削在加工成本、环境污染和人体危害等方面的负面影响巨大，低温微量润滑切削技术的推广成为大势所趋。在钛合金、高强度钢等难加工材料的切削中，已经逐步采用低温微量润滑系统代替传统浇注式冷却切削，达到较好的加工效果，实现绿色制造。低温微量润滑系统是指利用压缩空气经深度冷却与微量润滑油混合雾化，喷射到切削区，达到对刀具润滑和冷却的效果。
然而，进一步应用中发现低温微量润滑仍存在以下问题：
现有技术中，存在一种适用于SiCp/Al复合材料切削加工的低温微量润滑双喷头装置，该装置由混合器、绕折管、两个完全相同的喷头组成。混合器可以使微量润滑油、高压高速低温冷风充分混合。双喷头可以对刀具前、后刀面同时喷洒雾化颗粒，达到切削区完全冷却润滑效果，及时将切屑等冲刷出切削区，降低切削温度，延长刀具寿命，提高加工表面质量。该装置增加了油、水、气的消耗，导致成本过高；微量润滑装置结构复杂，占用空间较大。低温微量润滑参数稳定性差，很难重现。没有实时监测切削过程。
现有技术中，还存在一种高性能智能化三相微量润滑系统及其使用方法，包括微量润滑油数字化定量供给单元、与外接水源连通的水数字化定量供给单元、与气源连通的压缩气体供应单元、智能控制单元和喷射单元。该系统使用带液晶显示器和键盘的可编程四轴运动控制器，可以通过控制器调节气压、输油量和输水量，实现数字化定量供给。但是它在应用于复杂切削环境下有一定局限性。不能适应于工序需要多把刀具和切削参数改变的情况。更不能适应刀具因磨损等切削性能改变时智能调控切削参数和低温微量润滑参数。
因此，开发基于低温微量润滑切削的智能制造系统具有重大意义。
发明内容
本发明的目的是提供基于低温微量润滑切削的智能制造系统，以解决现有技术中存在的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，基于低温微量润滑切削的智能制造系统，包括低温微量润滑装置、数控机床、传感单元和上位机。
所述低温微量润滑装置包括控制单元、操作界面、微量润滑单元、冷风发生单元和喷射单元。所述微量润滑单元用于调节输油量，将微量润滑油传输至喷射单元。所述冷风发生单元用于干燥过滤空气，制备低温压缩空气，通过保温管道将低温冷风传输至喷射单元。所述喷射单元用于混合雾化微量润滑油和低温冷风，喷射至切削区域。工作时，通过操作界面手动选择低温润滑冷却参数或通过控制单元接收上位机的实时给定的低温润滑冷却参数通讯信号。所述控制单元执行响应低温润滑冷却参数，控制微量润滑单元、冷风发生单元和喷射单元动作。
所述传感单元包含切削力传感器、切削温度传感器、振动传感器、功率监测仪和刀具磨损检测仪。所述切削力传感器安装在数控机床的刀柄或夹具上。所述切削温度传感器安装在数控机床的刀具上或主轴上。所述振动传感器安装在数控机床的主轴或工作台上。所述功率监测仪安装在数控机床的主轴电机供电回路上。所述刀具磨损检测仪安装在数控机床的工作台上。
所述传感单元实时监测切削过程的各项切削状态指标，并传递至上位机。
进一步，所述低温微量润滑装置与上位机之间设有标准化双向通信接口。
进一步，所述上位机与数控机床之间设有标准化双向通信接口。
进一步，所述切削状态数据包括切削力、切削温度、振动、切削功率和刀具磨损数据。所述切削参数包括切削速度、进给量和切削深度。所述低温微量润滑参数包括气体温度、压力、流量和润滑油用量。
进一步，所述上位机由切削状态指标以及工艺条件实时数据计算得到目标切削参数和目标低温微量润滑参数。所述上位机将目标切削参数和目标低温微量润滑参数传输到数控机床和低温微量润滑装置进行实际作业操作。
本发明还公开一种基于上述系统的智能制造方法，包括如下步骤：
1)获取工艺条件、切削参数、低温微量润滑参数和切削状态指标。
2)计算切削状态指标的变化值和变化率。
3)上位机迭代优化调整切削参数和低温微量润滑参数，直至切削状态指标处于理想状态。
本发明的技术效果是毋庸置疑的：
A.可以手动、自动调节控制低温微量润滑参数，与上位机通讯可以满足实时智能调控低温微量润滑参数的要求。
B.具有传感单元，可以实时检测低温微量润滑切削状态，求解获得优化的数控机床切削参数和低温微量润滑参数；
C.可以实现上位机对数控机床、低温微量润滑装置的实时监控，实现装置的运行情况监控，生成生产报表；
D.低温微量润滑装置具有可自适应位姿调节的喷射单元，满足不同切削条件下对切削区域的精准冷却。
附图说明
图1为基于低温微量润滑切削的智能制造系统构成图；
图2为低温微量润滑模型反求工艺参数过程；
图3为基于低温微量润滑切削的智能制造系统的组网控制；
图4为低温微量润滑智能制造控制过程。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
为了配合国家重点研发计划项目“航空航天典型材料零部件清洁切削成套技术及示范应用”，本实施例提供基于低温微量润滑切削的智能制造系统，为推广低温微量润滑切削技术应用奠定基础。参见图1和图3，基于低温微量润滑切削的智能制造系统包括低温微量润滑装置、数控机床、传感单元和上位机。
所述低温微量润滑装置包括控制单元、操作界面、微量润滑单元、冷风发生单元和喷射单元。所述微量润滑单元用于调节输油量，将微量润滑油传输至喷射单元。所述喷射单元的喷嘴具有自适应位姿调节功能。所述冷风发生单元用于干燥过滤空气，制备低温压缩空气，通过保温管道将低温冷风传输至喷射单元。所述喷射单元用于混合雾化微量润滑油和低温冷风，喷射至切削区域。工作时，通过操作界面手动选择低温润滑冷却参数或通过控制单元接收上位机的实时给定的低温润滑冷却参数通讯信号。所述控制单元执行响应低温润滑冷却参数，控制微量润滑单元、冷风发生单元和喷射单元动作。
所述传感单元包含切削力传感器、切削温度传感器、振动传感器、功率监测仪和刀具磨损检测仪。所述切削力传感器安装在数控机床的刀柄或夹具上。所述切削温度传感器安装在数控机床的刀具上或主轴上。所述振动传感器安装在数控机床的主轴或工作台上。所述功率监测仪安装在数控机床的主轴电机供电回路上。所述刀具磨损检测仪安装在数控机床的工作台上。
所述低温微量润滑装置与上位机之间设有标准化双向通信接口。所述上位机与数控机床之间设有标准化双向通信接口。所述传感单元实时监测切削过程的各项切削状态指标，并传递至上位机。所述上位机由切削状态指标以及工艺条件实时数据计算得到目标切削参数和目标低温微量润滑参数。所述上位机将目标切削参数和目标低温微量润滑参数传输到数控机床和低温微量润滑装置进行实际作业操作。
低温微量润滑装置具备手动、自动等工作模式，可以手动选择低温润滑冷却参数工作，也可以根据上位机实时给定的智能低温润滑冷却参数工作。低温微量润滑装置与上位机之间设有标准化双向通信接口，上位机将智能制造算法模型求解获得低温微量润滑参数实时传递给低温微量润滑装置并得到执行响应。
基于低温微量润滑切削的智能制造系统的组网控制如图4所示，通过前期工艺数据建立对应工艺数据库，实现在加工中切削参数和低温微量润滑参数的自动匹配。
实施例2：
参见图2和图4，本实施例提供一种基于实施例1所述系统的智能制造方法，包括如下步骤：
1)获取工艺条件、切削参数、低温微量润滑参数和切削状态指标。所述工艺条件包括刀具、工件和工艺方法。所述切削参数包括切削速度、进给量和切削深度。所述低温微量润滑参数包括气体温度、压力、流量和润滑油用量。所述切削状态指标包括切削力、切削温度、振动、切削功率和刀具磨损数据。
2)计算切削状态指标的变化值和变化率。
3)通过对工艺条件、实际切削参数、实际低温微量润滑参数和切削状态指标进行分析、评估。上位机迭代优化调整切削参数和低温微量润滑参数，直至切削状态指标处于理想状态，此时得到目标切削参数和目标低温微量润滑参数。
4)所述上位机将目标切削参数和目标低温微量润滑参数进行数据还原，传输到数控机床和低温微量润滑装置进行实际作业操作。
实施例3：
本实施例提供基于低温微量润滑切削的智能制造系统，包括低温微量润滑装置、数控机床、传感单元和上位机。
所述低温微量润滑装置包括控制单元、操作界面、微量润滑单元、冷风发生单元和喷射单元。所述微量润滑单元用于调节输油量，将微量润滑油传输至喷射单元。所述冷风发生单元用于干燥过滤空气，制备低温压缩空气，通过保温管道将低温冷风传输至喷射单元。所述喷射单元用于混合雾化微量润滑油和低温冷风，喷射至切削区域。工作时，通过操作界面手动选择低温润滑冷却参数或通过控制单元接收上位机的实时给定的低温润滑冷却参数通讯信号。所述控制单元执行响应低温润滑冷却参数，控制微量润滑单元、冷风发生单元和喷射单元动作。
所述传感单元包含切削力传感器、切削温度传感器、振动传感器、功率监测仪和刀具磨损检测仪等。所述切削力传感器安装在数控机床的刀柄或夹具上。所述切削温度传感器安装在数控机床的刀具上或主轴上靠近刀具切削区域。所述振动传感器安装在数控机床的主轴或工作台上。所述功率监测仪安装在数控机床的主轴电机供电回路上。所述刀具磨损检测仪安装在数控机床的工作台上。所述传感单元实时监测切削过程的各项切削状态指标，并传递至上位机。
所述上位机中存储有智能制造算法模型。所述智能制造算法模型的构建方法包括以下步骤：
a)获取前期工艺数据资料，建立对应工艺数据库。应用数据预处理方法筛选出低温微量润滑装置正理想解方案作为实验样本。将正理想解方案中，在同一时刻下输入量x与输出量y具有映射对应关系。
b)在Matlab环境下构建以步骤a)所述实验样本中的输入量作为输入变量、以对应输出量作为输出变量的智能制造算法模型的初始模型。所述初始模型设有输入层、输出层和个隐藏层。
c)将初始模型的拓扑结构进行固定，设定最大迭代次数，期望误差最小值设定值和修正权值的学习效率，进行网络权重的优化，确定智能制造算法模型。
所述传感单元实时监测切削过程的各项切削状态指标，并传递至上位机。所述智能制造算法模型被解译和调度后，由切削状态指标以及工艺条件实时数据通过输入端为若干个元素数据通过智能制造算法计算得到目标切削参数和目标低温微量润滑参数。所述上位机将目标切削参数和目标低温微量润滑参数传输到数控机床和低温微量润滑装置进行实际作业操作。
基于低温微量润滑切削的智能制造系统的智能制造方法，包括如下步骤：
1)获取工艺条件、切削参数、低温微量润滑参数和切削状态指标。所述工艺条件包括刀具、工件和工艺方法。所述切削参数包括切削速度、进给量和切削深度。所述低温微量润滑参数包括气体温度、压力、流量和润滑油用量。所述切削状态指标包括切削力、切削温度、振动、切削功率和刀具磨损数据。
2)计算切削状态指标的变化值和变化率。
3)通过对工艺条件、实际切削参数、实际低温微量润滑参数和切削状态指标进行分析、评估。上位机迭代优化调整切削参数和低温微量润滑参数，直至切削状态指标处于理想状态，此时得到目标切削参数和目标低温微量润滑参数。
4)所述上位机将目标切削参数和目标低温微量润滑参数进行数据还原，传输到数控机床和低温微量润滑装置进行实际作业操作。
Claims (6)
1.基于低温微量润滑切削的智能制造系统，其特征在于：包括低温微量润滑装置、数控机床、传感单元和上位机；
所述低温微量润滑装置包括控制单元、操作界面、微量润滑单元、冷风发生单元和喷射单元；所述微量润滑单元用于调节输油量，将微量润滑油传输至喷射单元；所述冷风发生单元用于干燥过滤空气，制备低温压缩空气，通过保温管道将低温冷风传输至喷射单元；所述喷射单元用于混合雾化微量润滑油和低温冷风，喷射至切削区域；工作时，通过操作界面手动选择低温润滑冷却参数或通过控制单元接收上位机的实时给定的低温润滑冷却参数通讯信号；所述控制单元执行响应低温润滑冷却参数，控制微量润滑单元、冷风发生单元和喷射单元动作；
所述传感单元包含切削力传感器、切削温度传感器、振动传感器、功率监测仪和刀具磨损检测仪；所述切削力传感器安装在数控机床的刀柄或夹具上；所述切削温度传感器安装在数控机床的刀具上或主轴上；所述振动传感器安装在数控机床的主轴或工作台上；所述功率监测仪安装在数控机床的主轴电机供电回路上；所述刀具磨损检测仪安装在数控机床的工作台上；
所述传感单元实时监测切削过程的各项切削状态指标，并传递至上位机。
2.根据权利要求1所述的基于低温微量润滑切削的智能制造系统，其特征在于：所述低温微量润滑装置与上位机之间设有标准化双向通信接口。
3.根据权利要求1所述的基于低温微量润滑切削的智能制造系统，其特征在于：所述上位机与数控机床之间设有标准化双向通信接口。
4.根据权利要求1所述的基于低温微量润滑切削的智能制造系统，其特征在于：所述切削状态数据包括切削力、切削温度、振动、切削功率和刀具磨损数据；所述切削参数包括切削速度、进给量和切削深度；所述低温微量润滑参数包括气体温度、压力、流量和润滑油用量。
5.根据权利要求1所述的基于低温微量润滑切削的智能制造系统，其特征在于：所述上位机由切削状态指标以及工艺条件实时数据计算得到目标切削参数和目标低温微量润滑参数；所述上位机将目标切削参数和目标低温微量润滑参数传输到数控机床和低温微量润滑装置进行实际作业操作。
6.一种基于权利要求1所述系统的智能制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)获取工艺条件、切削参数、低温微量润滑参数和切削状态指标；
2)计算切削状态指标的变化值和变化率；
3)上位机迭代优化调整切削参数和低温微量润滑参数，直至切削状态指标处于理想状态。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 刘明政等: "低温微量润滑加工技术研究进展与应用", 《中国机械工程》, vol. 22, no. 5, pages 529 - 545 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114683091B (zh) | 2024-04-09 |
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