CN211728547U - 基于振动的高灵敏度数控机床加工过程断刀实时监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于振动的高灵敏度数控机床加工过程断刀实时监测装置，包括振动传感器，振动传感器设置在数控机床的切削振动影响区域，振动传感器连接振动监测模块，将传感器信号接入振动监测模块，振动监测模块与数控机床分别接入监控网络，通过计算机端远程实时提取振动信号并与设定值进行比较用于实时监测。本实用新型基于振动信号特征实时监测加工过程中断刀状态，利用了切削前后全频段对比排序的方法，灵敏度高，反应迅速，特别适用于小刀具长时间高速精加工等难以监测的情况。

Description

基于振动的高灵敏度数控机床加工过程断刀实时监测装置

技术领域

本实用新型属于数控加工技术领域，具体涉及一种基于振动的高灵敏度数控机床加工过程断刀实时监测装置。

背景技术

数控机床在加工过程中，由于走刀路径不合理、切削力不稳定、刀具一致性差、工件材质不均匀、刀具老化、应力疲劳等原因，极易发生刀具断裂，尤其在小直径刀具高速加工中最为常见。此外，断刀后由于刀具尺寸小、切削用量少、切削液影响等原因，不能够被及时发现，将影响后续加工流程，浪费大量加工时间，尤其加工时间较长的半精加工或精加工过程。即使能够发现断刀，也不能判断准确时间，无法合理安排剩余加工工序。因此很有必要寻找一种能够实时监测刀具断刀状况的方法，来处理加工过程中的断刀问题。

数控机床在加工过程中发生刀具断裂时，如果不能被及时发现，将影响后续加工流程，浪费大量加工时间，尤其在使用小刀具进行长时间的持续半精加工或精加工过程中。小刀具高速加工时，本身尺寸小，切削用量少，再加上切削液的影响，不再能够根据肉眼观察或声音来判断刀具是否断刀。

现有技术方案包括非实时监测和实时监测两种，非实时监测主要有接触式对刀检测、激光光束检测、工业相机图像识别检测等，在刀具加工前后，将刀具移动到指定检测位置，采用以上方法，进行断刀监测。实时监测通过实时监测加工过程中刀具断裂前后的关键特征量来判断刀具断刀状态，主要有主轴或变频器的电机电流、声信号、振动信号等。其中通过振动信号来判断的方法包括在刀柄中内置振动传感器等。

通过现有对刀仪等检测断刀的技术：是非实时监测，需要刀具加工前后运动到指定位置测试刀具有无断刀，额外增加了时间，无法实时判断加工过程中的断刀，实时性差。通过主轴电流负载等检测断刀的技术：在小刀具高速半精或精加工时，由于微小切削用量，断刀前后主轴或变频器的电机电流无明显稳定变化，即灵敏度不高，不能有效判断刀具断刀现象。通过声波的采样分析断刀的技术：声波分析较为复杂，同时要求没有外部声音干扰，对环境因素要求较高。振动传感器内置在刀柄中的技术：小空间内集成多部件，结构复杂、成本高，且需要分别设计多种类型的刀柄。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于振动的高灵敏度数控机床加工过程断刀实时监测装置，实现加工过程中实时、高灵敏度地监测刀具断刀情况。

本实用新型采用以下技术方案：

基于振动的高灵敏度数控机床加工过程断刀实时监测装置，包括振动传感器，振动传感器设置在数控机床的切削振动影响区域，振动传感器连接振动监测模块，将传感器信号接入振动监测模块，振动监测模块与数控机床分别接入监控网络，通过计算机端远程实时提取振动信号并与设定值进行比较用于实时监测。

具体的，数控机床切削振动影响区域包括工件、治具和主轴。

进一步的，振动传感器设置在治具前后左右四个竖直侧面上。

进一步的，振动传感器设置在主轴的端部位置。

与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：

本实用新型一种基于振动的高灵敏度数控机床加工过程断刀实时监测装置，不限定振动传感器的安装位置，只需在加工时的振动影响区域安装即可，无需设计复杂的安装结构；实时采集并分析加工时的振动信号，全频段分析特征信号，高灵敏度分析判断刀具断刀情况，断刀后及时报警通知，提供断刀时间参考，辅助工艺人员优化工艺，避免不必要的时间浪费，提高生产效率。

进一步的，能够利用振动传感器实时监测数控机床加工过程中的振动特征，处理得到当前特征值，与未切削时的基准特征值做对比，从而判断刀具的断刀状态，在发生断刀时及时示警并提示断刀时间。本装置安装简单，使用方便，灵敏度高，反应迅速，能够满足数控机床加工过程中断刀监测的需求。

进一步的，振动传感器安装在治具前后左右四个竖直侧面，能够有效感知刀具切削时产生的振动。刀具切削工件时，产生的振动以X向、Y向振动为主，因此传感器应安装在与X向、Y向垂直的竖直平面内；传感器安装在工件上会影响工件加工，而加工时的振动能从工件上切削点传递到与工件刚性连接的治具，即通过在治具前后左右四个竖直侧面安装振动传感器能够准确反映切削时的振动特征。

进一步的，在治具上安装振动传感器不方便的情况下，可将振动传感器安装在主轴端部。例如五轴数控机床加工过程中治具伴随A、C轴旋转，影响振动传感器信号线的引出，此时将振动传感器安装在主轴端部能够感知从刀具切削位置传递过来的振动。

进一步的，选用IFM厂家的VSA005振动传感器，其采样率最大为100kHz，响应频率达10kHz，因此感知频率范围大，能够感知高速加工时产生的高频率振动。

进一步的，本装置采集振动特征信号时，不需要分辨刀具此刻是否处于空走刀状态。通过设定最大连续超限次数，能够适用于空走刀连续时长小于最大连续超限次数乘以监测间隔时间的情况。

综上所述，本实用新型基于振动特征信号实时监测加工过程中断刀状态，利用了切削前后全频段对比排序的方法，灵敏度高，反应迅速，特别适用于小刀具长时间高速精加工等难以监测的情况。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为振动传感器安装位置示意图；

图2为振动监测模块网络连接示意图；

图3为断刀监测流程图。

其中：1.主轴；2.工件；3.治具。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

请参阅图1，本实用新型提供了一种基于振动的高灵敏度数控机床加工过程断刀实时监测装置，使用强力磁铁吸附或螺纹连接等方式将振动传感器固定在数控机床切削振动影响区域，具体包括工件2、治具3的前后左右四个竖直侧面上或主轴1的端部位置，振动传感器选用IFM厂家的VSA005振动传感器，响应频率达10kHz，将传感器信号线接入安装在电控柜中的振动监测模块。

请参阅图2，断刀实时监测装置由数控机床、振动监测模块、网络交互设备(路由器、交换机等)、监控网络、运行有断刀监测程序的远程计算机等组成。其中，振动监测模块选用IFM厂家的VSE100，该模块可对VSA005振动传感器经信号线传输来的信号做初步处理，然后通过网线接入监控网络；数控机床通过网线接入监控网络。

具体可使用网络交互设备将振动监测模块与数控机床接入同一监控网络内，确保该监控网络中的远程计算机能够访问到被监测的数控机床及其电控柜中安装的振动监测模块，通过计算机端的断刀监测程序远程实时提取振动信号并分析处理，在断刀时控制机床报警。

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本实用新型实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图3，本实用新型一种基于振动的高灵敏度数控机床加工过程断刀实时监测装置的监测方法具体如下：

S1、在刀具未进行切削加工时测试振动特征信号，作为判断刀具是否发生断刀的基准特征值；

在刀具未进行切削加工时测试振动特征信号，此时振动信号特征与切削时信号特征不同，因此可将此时的振动信号处理后得到基准特征值，用于判断刀具是否发生断刀。

S101、在刀具未进行切削加工时，采集两次全频段振动频谱图数据，频谱图横轴为频率，纵轴为对应的振动值；

S102、在频谱图全频段各频率处，用第二次采集的振动值与第一次采集的作比值计算，得到未加工状态下全频段各频率的振动比值；

S103、将全频段各频率处得到的振动比值按照从大到小的顺序排序，

S104、将排序靠前的3～6个比值相加求和，作为判断刀具是否发生断刀的基准特征值。

将排序靠前的5个比值(3～6个)相加求和，能够考虑到不限于一个频率处的振动特征，从而提高断刀监测的灵敏度。

S2、在加工过程中实时监测刀具振动特征信号，与基准特征值比较，判断断刀情况；

在加工过程中实时监测刀具振动特征信号，处理后得到当前特征值，如果当前特征值低于基准特征值乘以下限系数的连续次数达到3次或3次以上，说明刀具已断裂；否则说明刀具未断刀。

S201、设定下限系数为1～1.5，设定最大连续超限次数大于等于3次，开始切削加工，每隔3～6s采集一次全频段振动频谱图数据；

下限系数为1～1.5，是根据实际应用中切削时的特征值与基准特征值设置的，合理的下限系数设置能够提高断刀判定的灵敏度；最大连续超限次数可设定为3次或3次以上，是考虑到加工路径中存在刀具未切削的情况，因此不能仅根据1次或2次连续超限判定断刀情况。

S202、将加工时每次采集的振动值与未加工时的作比值计算，得到加工状态下全频段各频率的振动比值；

S203、将全频段各频率处得到的振动比值按照从大到小的顺序排序；

S204、将排序靠前的3～6个比值相加求和，作为判断刀具是否发生断刀的当前特征值；

将排序靠前的比值相加求和，作为判断刀具是否发生断刀的当前特征值，是为了保证得到当前特征值的方法与基准值一致，具有可比性。

S205、如果当前特征值连续3次或3次以上低于基准特征值乘以下限系数，则视为刀具发生断刀。

只有当前特征值低于基准特征值乘以下限系数的连续次数达到设定的最大连续超限次数(3次或3次以上)，才能说明刀具发生断刀，否则，空走刀路径导致1次或2次连续超限，会导致结果误判。

S3、机床报警，在机床上和远程监控的计算机上提示断刀时间和事件。

实施例

在数控机床使用直径0.2mm的锥度平底刀对某工件进行精加工时易发生断刀。将振动传感器VSA005用强力磁铁吸附在治具前侧竖直平面上，传感器信号线引出接入电控柜中的振动监测模块上，然后使用网线通过交换机将数控机床、振动监测模块、运行断刀监控程序的远程计算机接入同一网络中；运行断刀监测程序，在机床未切削时采集振动特征信号，处理后得到基准特征值；设定下限系数为1.2，最大连续超限次数为3，开始切削，每隔3s监测一次断刀状态，此参数设置下当发生断刀9s后，机床报警，机床显示面板提示断刀时间，运行断刀监测程序的远程计算机也同步显示断刀时间。

综上所述，本实用新型一种基于振动的高灵敏度数控机床加工过程断刀实时监测装置，通过在主轴、工件、治具等关键部位安装振动加速度传感器，实时监测加工过程中的振动特征信号来分辨当前刀具是否断刀，如果发生断刀，可使机床发出包含断刀时间的报警信号并远程通知管理人员，可根据断刀时间在更换刀具后继续加工。本方法不影响数控加工程序，灵敏度高，反应及时，能够有效减少因断刀引起的不必要的时间浪费，提高生产效率，还可用于工艺人员优化加工工艺。

以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于振动的高灵敏度数控机床加工过程断刀实时监测装置，其特征在于，包括振动传感器，振动传感器设置在数控机床的切削振动影响区域，振动传感器连接振动监测模块，将传感器信号接入振动监测模块，振动监测模块与数控机床分别接入监控网络，通过计算机端远程实时提取振动信号并与设定值进行比较用于实时监测。

2.根据权利要求1所述的基于振动的高灵敏度数控机床加工过程断刀实时监测装置，其特征在于，数控机床切削振动影响区域包括工件(2)、治具(3)和主轴(1)。

3.根据权利要求2所述的基于振动的高灵敏度数控机床加工过程断刀实时监测装置，其特征在于，振动传感器设置在治具(3)前后左右四个竖直侧面上。

4.根据权利要求2所述的基于振动的高灵敏度数控机床加工过程断刀实时监测装置，其特征在于，振动传感器设置在主轴(1)的端部位置。

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