CN205318211U - 惯量匹配参数式数控机床优化及实时监控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种惯量匹配参数式数控机床优化及实时监控系统，包括计算机控制系统(1)，电机驱动器(2)，加工主电机(3)，惯量匹配系统(4)，以及传感监测系统(5)。当工况严重恶化时或加工过程受到外环境的干扰后机床的动态特性参数变化范围超过允许值时，加工主电机的输出输入电流值将会发生变化，传感监测系统检测的振幅、振型等参数发生显著变化，于是计算机控制系统会将有关控制指令传给电机驱动器与惯量匹配系统，控制加工主电机的工作电流、转速及惯量匹配系统的参数，从而达到优化切削参数与提高机床高速加工的动态特性，实现实时控制高速高精度加工过程的目的。

Description

惯量匹配参数式数控机床优化及实时监控系统

技术领域

本实用新型涉及一种数控机床优化及实时监控系统，特别是涉及一种集优化与监控为一体的惯量匹配参数式数控机床优化及实时监控系统。

背景技术

以往在衡量数控机床机械系统的加工动态特性，认为负载惯量小，其动态特性就好；惯量越大，进给驱动系统的负载越大，越难以控制。但负载惯量增加时，进给系统需要花费较多时间才能达到新指令的速度要求；当执行快速切削时，会发生较大误差。另一方面，小的负载惯量会造成高频抗干扰刚度下降，造成系统性能对工件质量变化的敏感程度增加。尤其是在机床高速化、高精度化要求下，当能量效率、运动控制性能、抗干扰能力等多因数耦合时，并且加工过程中切削参数的变化，材料硬度的变化都会给进给驱动系统产生干扰，使交流伺服系统灵敏度、瞬态响应时间、伺服精度受到影响，使机械系统的振动与冲击增大，造成系统震荡或抖动，对高速高精度机床的切削加工造成很大影响。因此、能够实时检测机床加工动态特性参数并以最优的惯量参数匹配负载惯量与进给系统性能，提供机床切削加工的动态特性，提高加工工件的质量。

而在机床加工过程中的惯量匹配方面，主要是在机床设计时增加一些惯量轴或通过人工观测机床加工的各种信息判断并调节运动部件的惯量、质量、丝杆螺距或减速比。但是由于机床在切削加工过程中动态特性参数复杂并且是实时变化的，直接观测并调整难度较大。在监测机床切削过程是否堵屑、刀具是否磨损等现象方面，主要是依靠操作者直接观察切削过程中的各种工况信息来判断。但由于高速高精度加工工艺复杂，直接观察切削工况难度大，因此必须采用自动监测系统才能实现。

目前国内外研制的惯量匹配系统主要集中于在机床设计方面，主要是机床设计时增加一些惯量轴或通过人工观测机床加工的各种信息判断并调节运动部件的惯量、质量、丝杆螺距或减速比。难以满足多变的加工工况的惯量匹配的要求，难以满足高速高精度加工的要求。在国内外研制的切削监测系统方面，主要是通过各种传感器(例如功率变送器、油压传感器)来实现信号采集、切削过程监测的。如图1所示是一种基于DSP的切削功率和油压信号的切削过程排屑与刀具状态监测系统。

在该系统中，功率信号是深孔钻床的主电机的输入功率,工况的变化时(如堵屑、刀具严重磨损)，其电机所受到的感应激振力发生变化，而电机的功率实时功率也会发生变化，其功率的变化，通过功率变送器后被采集获得，油压信号是通过安装在油阀上的压力传感器直接输出到DSP监测系统。功率变送器和压力传感器的输出信号均为标准的0～5V的电压信号。监测系统具有实时采集功率信号和油压信号并能对两路进行分析的功能，而且可以反馈深孔钻削过程排屑与刀具状态并实现报警。监测系统的中央处理单元是具有高速数字信号处理能力的处理器。

但由于高速加工现场切削环境恶劣，故障种类的随机性大，干扰因素又较多，因此对传感器的安装可靠性和抗干扰能力提出了较高的要求，这给及时、准确获取故障信息带来了难度。再则这类系统不能实现切削参数选择与优化功能，也不能实现机床加工动态特性自动检测并惯量自动匹配的功能，且结构相对复杂，成本也较高。

实用新型内容

本发明的目的在于克服以上技术上的不足，提供一种结构简单、准确度高、成本低，集机床惯量匹配参数选择、优化和监测与切削参数选择、优化和工况监控为一体的数控机床参数优化及实时监控系统。

为达到上述目的，本实用新型采取的技术方案是：一种惯量匹配参数式数控机床优化及实时监控系统，包括：

计算机控制系统，用于为数据采集，数字信号处理，切削参数选择和优化，惯量匹配参数的选择和优化，控制指令的接收、传送提供保障；

电机驱动器，用于控制主电机电流、电压和转速，并可实时采集电流、电压信号值；

加工主电机，用于提供切削加工的动力源，其电流的大小随切削工况的变化而变化；

惯量匹配系统，用于根据指令实时调节控制惯量的大小，其惯量值的变化随机床动态特性的变化而调整；

以及传感监测系统，用于监测机床加工过程中的动态特性参数并采集传递给计算机控制系统。

当机床要进行高速高精度车(铣、磨、钻)加工时，将工件材料、机床等相关信息输入计算机控制系统，计算机控制系统与惯量匹配系统会完成切削用量的优化计算及机床的动态特性参数的优化过程，确定电机转速、电流和功率值，机床动态特性参数如振幅、瞬态响应时间的合理波动范围，发出加工指令，并实时地提取主电机电流值与机床的动态特性参数，检查其是否在合理波动范围内，随时调整和停止加工主电机的工作，实现高速加工的在线控制

与现有技术相比，本实用新型能够优化切削参数与提高机床高速加工的动态特性，实现实时控制高速高精度车(铣、钻、磨)削加工过程的目的。

附图说明

图1为现有传感器式切削监测系统连接原理框图；

图2为本实用新型一种惯量匹配参数式数控机床优化及实时监控系统连接原理框图；

图3为本实用新型一种惯量匹配参数式数控机床优化及实时监控系统工作流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式及附图，对本实用新型做进一步的详细说明。

参见附图2，一种惯量匹配参数式数控机床优化及实时监控系统，包括：

计算机控制系统1，用于为数据采集，数字信号处理，切削参数选择和优化，惯量匹配参数的选择和优化，控制指令的接收、传送提供保障；

电机驱动器2，用于控制加工主电机3电流、电压和转速，并可实时采集电流、电压信号值；

加工主电机3，用于提供切削加工的动力源，其电流的大小随切削工况的变化而变化；

惯量匹配系统4，用于根据指令实时调节控制惯量的大小，其惯量值的变化随机床动态特性的变化而调整；

传感监测系统5，用于监测机床加工过程中的动态特性参数并采集传递给计算机控制系统1。

当深孔钻削工况严重恶化时(如堵屑、刀具严重磨损等)，加工主电机3受到的由刀具传递给的感应协振力发生剧烈变化，加工主电机3的输出输入电流值将会发生剧烈变化，这种变化被实时地采样并输入计算机控制系统1，并由计算机控制系统1判别其电流的波动值是否超过设定的正常工作值，若超过，则计算机控制系统1将临界PLC控制指令发给电机驱动器2，直接控制加工主电机3的工作电流、转速，从而达到在线自动控制深孔钻削加工过程的目的。

本实用新型的工作流程参见附图3，当要进行深孔加工时，将工件材料、机床等相关信息输入计算机控制系统1，计算机控制系统1首先会帮助操作者选择最优的加工刀具，并初选切削用量(即切削速度v,进给量f_z和切削深度a₀)；并通过建立了的模型和优化算法进行切削力的计算、颤振分析等；同时完成切削用量的优化计算，确定电机转速、电流和功率值的合理波动范围；最后发出加工指令，进行深孔钻削加工。为了监控切削工况，通过电机驱动器2和计算机控制系统1，设定采样频率，实时提取加工主电机3电流值，检查电流值是否在合理的波动范围内。

当铣削加工工况恶化时或外界干扰或机械加工系统动态特性较差时，使得加工主电机3电流及机床动态特性参数超过允许范围，但在规定范围A内时，传感监测系统5将监测获得的机械动态数据传输给计算机控制系统1，系统发出指令，惯量匹配系统4以最优的惯量匹配参数提高机床机械系统的动态特性，使其在允许范围内，计算机控制系统1与惯量匹配系统4会完成切削用量的优化计算及机床的动态特性参数的优化过程，继续铣削加工；当铣削工况严重恶化或外界干扰非常大的时候，即感应激振力发生剧烈变化，加工主电机3的输出输入电流值及机床的动态特性参数(如振幅，振型)将会超出规定范围B，于是计算机控制系统1将向电机驱动器2发出控制指令，停止加工主电机3的工作，实现高速铣削加工的在线控制。

综上所述的本实用新型具体实施例仅为本实用新型优选的实施方式，并非用于限定本实用新型保护范围的限制。因此，任何在本实用新型的技术特征之内所作的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种惯量匹配参数式数控机床优化及实时监控系统，其特征在于，包括：

计算机控制系统(1)，用于为数据采集，数字信号处理，切削参数选择和优化，惯量匹配参数的选择和优化，控制指令的接收、传送提供保障；

电机驱动器(2)，用于控制加工主电机电流、电压和转速，并可实时采集电流、电压信号值；

加工主电机(3)，用于提供切削加工的动力源，其电流的大小随切削工况的变化而变化；

惯量匹配系统(4)，用于根据指令实时调节控制惯量的大小，其惯量值的变化随机床动态特性的变化而调整；以及

传感监测系统(5)，用于监测机床加工过程中的动态特性参数并采集传递给计算机控制系统。