CN1264637C - 一种振动攻丝在线故障诊断的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机械加工领域，特指一种振动攻丝在线故障诊断方法及其装置，其应用于机械加工中的攻丝加工，特别是难加工材料和微小螺纹孔的攻丝加工。本发明包括振动攻丝机械单元、步进电机的驱动和控制单元，扭矩测量单元，其在主轴输出端与攻丝夹头间串接扭矩传感器及其攻丝扭矩的分析和存储系统，并且扭矩传感器通过一个弹性夹持器基套、锁紧套和锁紧螺钉组成的弹性夹持机构与攻丝机主轴固定连接；采用步进电机为振源和攻丝力源，通过扭矩传感器，接收机械单元中机床主轴传递的动力和振动源信号，经过二次仪表的信号放大和信号整形，再与计算机硬件接口模/数转换模块相连，进行在线扭矩测量与故障诊断。
Description
所属技术领域
本发明属于机械加工领域，特指一种振动攻丝在线故障诊断方法及其装置，其应用于机械加工中的攻丝加工，特别是难加工材料和微小螺纹孔的攻丝加工。
背景技术
振动攻丝新工艺最初出自于日本，它的出现是为解决难加工材料攻丝、高精度螺纹孔攻丝和小螺纹孔的攻丝等问题开辟了新的途径。振动攻丝是在传统攻丝的基础上，在丝锥或工件上附加一个有规律的周向振动，使传统攻丝方法中的连续切削过程变成间断、瞬时和重复的切削过程，从而克服了传统攻丝方法存在的切削区封闭、切削区的切削温度高、切削液无法进行有效的冷却润滑的缺陷，并有效地抑制了系统原有的不规则振动，从而达到改善攻丝状况、降低攻丝扭矩、提高攻丝质量和效率的目的。
目前，国际上采用的振动攻丝扭转振源有：步进电机、机械结构和超声波变幅杆等。其中使用性和稳定性最好的是步进电机振源。目前的步进式振动攻丝机有：日本宇宫都大学隈部淳一郎教授等人研制的可装夹在数控机床主轴头上的扭转振动刀柄(见论文“精密振动ねじ立て”，精密机械，48卷，第8期，1982)；沈阳仪器仪表工艺研究所沈承勋等人研制的扭转振动攻丝机(见论文“ZGJ型振动攻丝机”，仪表技术与传感器，1990年第6期)；中国发明专利公开号CN 1123684A“一种高效多功能振动攻丝机”，其主要解决了振动攻丝的周向间隙消除，专门设计了周向间隙消除机构。
国内外现有的振动攻丝装置存在以下问题：
①攻丝系统的灵活性不足，由于大多数攻丝机在攻丝主轴上加上攻丝靠模，则带来的主要问题是：由于振动攻丝在进行不同直径螺纹攻丝时，所采用的振动振幅、切削速度和振动频率都不同，因此，以往的攻丝系统振动攻丝的工艺参数设置的灵活性不足，无法满足多种螺纹直径和各种螺距的螺纹振动攻丝，由于有攻丝靠模的存在，使得这些振动攻丝机无法拓展功能，比如钻孔和铰孔功能等。
②攻丝加工系统无在线监测和故障诊断功能由于攻丝加工是一种封闭或半封闭式加工，丝锥的工作状态比较恶劣，因此在攻丝过程中经常发生丝锥折断现象。目前国内外振动攻丝机尚无在线监测和故障诊断功能，及时对丝锥的可能破坏情况进行预报。
③振动攻丝的工艺参数设置方法不一致，现有的振动攻丝方法上很多都用旋转角速度来定义振动攻丝速度，由于丝锥的直径差别很大，在同样的角速度情况下，丝锥直径不同线速度也不同，真正的攻丝切削速度是丝锥的线速度，切削线速度对振动攻丝的攻丝扭矩有影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种振动攻丝在线故障诊断的方法及其装置，既能够适应各种振动攻丝工艺参数的调整要求以满足多种材料和多种孔径的螺纹孔的攻丝要求，又能够完成对丝锥攻丝状况的在线监测和故障诊断要求，以防止或避免在攻丝的过程中发生丝锥折断，并且还具有钻削和铰孔的功能。利用本装置可用于难加工材料的直径小于或等于M14的各种内螺纹加工。
实现本发明目的的方法，其特征在于采用步进电机为振源和攻丝力源，通过在振动攻丝机床主轴上串接扭矩传感器，接收机械单元中机床主轴传递的动力和振动源信号，经过二次仪表的信号放大和信号整形，再与计算机硬件接口模/数转换模块相连，进行在线扭矩测量与故障诊断。
同时在系统中采用振动频率f及以丝锥的线速度作为切削速度v、正反比例k作为工艺参数组合进行系统控制。最佳的振动频率f为2000/60Hz～7000/60Hz，最佳切削速度v是0.6m/min，最佳正反比例k为3∶2。
实现本发明目的的装置，包括振动攻丝机械单元、步进电机的驱动和控制单元，扭矩测量单元，其特征为在主轴输出端与攻丝夹头间串接扭矩传感器及其攻丝扭矩的分析和存储系统。扭矩传感器通过一个弹性夹持器基套、锁紧套和锁紧螺钉组成的弹性夹持机构与攻丝机主轴固定连接。
本发明以振动攻丝扭矩测量单元为基础，通过计算机在振动攻丝的过程中实时采集攻丝扭矩，利用故障诊断技术对攻丝过程中的扭矩变化进行分析和判断，在线判别出其故障类型，并可根据需要及时停止攻丝加工，待故障排除后再继续加工。
本发明与现有的振动攻丝机相比，具有以下优点：
①在主轴输出端通过串接一扭矩传感器后，实现了振动攻丝系统的扭矩闭环在线检测及故障诊断，可以在攻丝过程中对丝锥工作状况进行预报，判别故障类型和丝锥折断预防，解决了攻丝加工中久而未决的难题；
②系统使用PC计算机控制，高级计算机编制的程序，使得系统操作简单。首次采用振动频率f、切削速度v(丝锥的线速度)和正反比例k为工艺参数组合，系统的振动攻丝工艺参数的设置灵活，使得系统能够根据材料需要，对各种材料的振动攻丝过程修改振动攻丝工艺参数。系统采用图形界面、鼠标操作，使用方便；
③步进电机的动力单元和扭矩传感器的扭矩测量单元与整个振动攻丝系统连接方法简单，对原有的攻丝机械基本不需做任何的机械加工。动力单元和扭矩测量单元均可以作为机床附件，随时加装和拆卸。由于与机床的连接都是用锥面配合，回转精度高；
④扭矩传感器的固定机构采用一种弹性夹持器的方式，弹性夹持器结构紧凑，它起到固定和自动定心双重作用，使扭矩传感器的大部分外露，方便扭矩传感器的安装和接口的连接；
⑤由于回位机构和机床主轴力矩平衡，使得进给操作简单省力。手动操作，没有丝锥靠模装置，使得对在小于M14的任何螺距的螺纹攻丝均能实现振动攻丝，而且不需对机床系统做任何调整，只需在控制操作上将螺纹直径稍作更改即可。根据攻丝扭矩的变化情况，还可以实现半自动加工。
附图说明
图1本发明示意图
图2图1A-A剖面中扭矩测量单元夹持机构剖视图
1振动攻丝机床身 2步进电机固定架 3步进电机
4上连轴器 5操作手柄 6扭矩传感器弹性夹持器
7扭矩传感器 8扭矩传感器下连接套 9通用攻丝夹头
10丝锥 11回转圆盘工作台 12振动攻丝机立柱
13振动攻丝机底座 14弹性夹持器基套 15扭矩传感器上连接套
16键A 17弹性夹持器夹紧螺钉 18弹性夹持器夹紧套
19键B 20紧钉螺钉 21进给齿条轴
22主轴莫氏II锥柄
实施方式
具体的实施例和附图的详细说明如下：
如图1所示，整套振动攻丝系统的动力由步进电机(3)提供，步进电机(3)通过其发兰盘固定在步进电机固定架(2)上，步进电机固定架(2)的底板固定在机床的床身(1)的顶平面上；床身(1)套在振动攻丝机立柱(12)上，可上下调节机床床身位置并锁死固定床身；攻丝机机床立柱(12)固定在振动攻丝机底座(13)上；回转圆盘工作台(11)固定在机床立柱(12)上，处于丝锥(10)的下方。本振动攻丝机的进给机构为普通攻丝机的通用进给机构，如齿轮齿条机构，进给是靠转动操作手柄(5)带动进给齿轮轴，驱动齿条轴套，由齿轮齿条机构带动主轴上下移动，移动距离通过与进给轴一同转动的的刻度盘观测，而且，由于本振动攻丝机具有攻丝扭矩的在线监测，因此可以通过对攻丝扭矩的观测来判断攻丝的进展情况，从而进一步可实现振动攻丝的自动化操作。步进电机的动力输出轴通过键与上连轴器(4)相连，上连轴器与机床主轴的动力输入端刚性连接，将动力传给主轴。
如图2所示，主轴的下端通过主轴莫氏II锥柄(22)将动力传递给扭矩传感器上连接套(15)，而上连接套(15)的另一端则通过键A(16)与扭矩传感器的输入端连接，将动力扭矩传递给扭矩传感器(7)。本设计将固定扭矩传感器的弹性夹持器(6)的基套(14)与攻丝机的进给齿条轴(21)固定紧配合连接，外加紧钉螺钉锁紧，保证弹性夹持器与轴套可靠并同轴。扭矩传感器的外壳部分与弹性夹持器的基套(14)配合，通过夹紧螺钉(17)与夹紧套(18)收紧基套的弹性部分，将扭矩传感器固定。扭矩传感器(7)的输入和输出是同一根轴，只是扭矩传感器的扭矩采样在输出端的部分。扭矩传感器的输出端则与下连接套(8)连接，下连接套(8)一端通过键B(19)与扭矩传感器的输出端连接，同时设置紧钉螺钉(20)固定下连接套(8)，以防止轴向运动，而另一端则通过一个自带的莫氏II短锥柄与通用攻丝夹头(9)连接，丝锥(10)由通用攻丝夹头(9)装夹，振动钻孔时则改用钻夹头，振动铰孔时用机用铰刀。
按上述发明构思，制造了一台具有在线故障诊断功能的振动攻丝机，步进电机为130BYG402型混合式步进电机，驱动器用ATH-130G型步进电机驱动器，扭矩传感器使用EXY-500型扭矩仪，配合自行开发的ISA总线接口卡与控制软件，使用M6×1和M3×0.5两种高速钢丝锥，用普通的机油润滑，M6采用10mm厚的Q235钢板，底孔直径5，M3螺纹采用厚为5mm的不锈钢板，底孔直径2.5。切削条件是：振动攻丝的工艺参数正反比例k＝1.5、切削速度v＝0.6m/min、振动频率f＝6000/60Hz，加工结果表明，M6的螺纹丝锥，在加工完近200个螺孔后，丝锥还完好无损，用普通机械攻丝，只能加工几十个螺纹孔，螺纹精度也有较大的改善；而对于M3的不锈钢攻丝，机械攻丝根本无法顺利进行，手动攻丝加工的螺纹孔也基本无法使用，螺杆无法导入，用本攻丝机则能顺利攻出有效的螺纹孔。同时本振动攻丝的攻丝效率可以根据材料加工性能的难易程度进行调整，在降低攻丝扭矩和提高攻丝效率上作协调。本系统配置了在线监测和故障诊断软件系统，可对整个攻丝过程的扭矩进行监测，并即时判别出攻丝过程的故障类型，提供排除故障的依据，同时有效预防丝锥折断。因此，本发明由于具有在线监测和故障诊断的多种功能，则为解决难加工材料的攻丝难题提供有效的手段，具有广阔的应用前景和重要的应用价值。
Claims (5)
1.一种振动攻丝在线故障诊断的方法，其特征在于采用步进电机为振源和攻丝力源，通过在振动攻丝机床主轴上串接扭矩传感器，接收机械单元中机床主轴传递的动力和振动源信号，经过二次仪表的信号放大和信号整形，再与计算机硬件接口模/数转换模块相连，进行在线扭矩测量与故障诊断。
2.根据权利要求1所述的振动攻丝在线故障诊断的方法，其特征在于采用振动频率f及以丝锥的线速度作为切削速度v、正反比例k作为工艺参数组合进行系统控制。
3.根据权利要求2所述的振动攻丝在线故障诊断的方法，其特征在于所述的振动频率f为2000/60Hz～7000/60Hz，切削速度v是0.6m/min，正反比例k为3∶2。
4.为实现权利要求1所述的振动攻丝在线故障诊断的方法的装置，其包括振动攻丝机械单元、步进电机的驱动和控制单元，扭矩测量单元，其特征为扭矩测量单元由在主轴输出端与攻丝夹头(9)间的串接扭矩传感器(7)及其攻丝扭矩的分析和存储系统组成。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于扭矩传感器(7)通过一个由弹性夹持器基套(14)、夹紧套(18)和锁紧螺钉(17)组成的弹性夹持机构与攻丝机主轴固定连接，扭矩传感器的外壳部分与弹性夹持器的基套(14)配合，通过夹紧螺钉(17)与夹紧套(18)收紧基套的弹性部分，固定扭矩传感器。
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