一種基于電機電流的銑削刀具碰撞快速辨識方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于數(shù)控裝備加工過程監(jiān)控技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于電機電流 的銑削刀具碰撞快速辨識方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 刀具碰撞是相對于刀具正常切削而言的，如果加工過程中切削負(fù)荷瞬間超出正 常切削負(fù)荷，即認(rèn)為刀具發(fā)生了碰撞。據(jù)德國亞琛工業(yè)大學(xué)"最易引起機床刀具碰撞的因 素"的調(diào)查顯示，使用者或編程員的操作失誤是刀具碰撞最主要的原因，操作失誤包括刀具 的錯誤定義、安裝了錯誤的刀具及制造工藝的故障，如零漂移，此外，調(diào)查者一致同意造成 刀具碰撞的其他因素是機床或數(shù)控系統(tǒng)本身，這些錯誤非常普遍。刀具的碰撞可能發(fā)生在 切入過程中，機床主軸單元很容易受到損害；也可能發(fā)生在切削過程中，這種情況不僅對主 軸、刀具有損傷，還會破壞已加工工件。由此可見，加工過程中的刀具碰撞的快速辨識對于 保護主軸單元和進口刀具，保證加工質(zhì)量和效率等都具有重大意義。
[0003] 由于刀具碰撞的危害性，一方面，國內(nèi)外學(xué)者對刀具碰撞方面做了大量研究工作， 目前，針對刀具碰撞的保護措施大致基于兩種策略：碰撞預(yù)防和損害預(yù)防，碰撞預(yù)防主要是 通過加工路徑的離線或在線規(guī)劃來預(yù)防刀具碰撞，但是真實情況和仿真模型總有不可預(yù)期 的偏差，辨識容易出錯。損害預(yù)防有兩種方法，一種是利用傳感信號，包括機床內(nèi)置的位置、 速度、電流信號，通過監(jiān)測加、減速度的變化率，以及使用外加傳感器監(jiān)測加速度、力信號 等，以監(jiān)測機床的加工狀況；另一種方法是當(dāng)力或扭矩過載時將主軸或進給軸脫開，達到動 力切斷的目的。
[0004] 另一方面，商業(yè)化的刀具監(jiān)控系統(tǒng)也在致力于碰撞監(jiān)控方面的應(yīng)用研究，如德國 的M0NTR0NIX、N0RDMANN，以色列的0MATIVE，瑞士的KISTLER等刀具監(jiān)控系統(tǒng)。這些產(chǎn)品的 主要監(jiān)測方法是通過設(shè)定刀具碰撞的門限值，當(dāng)監(jiān)測到的信號幅值超出門限值時，即認(rèn)為 刀具發(fā)生了碰撞。但是，上述方法依然存在以下問題：由于加工過程的復(fù)雜性，門限值設(shè)置 不合適，容易引起刀具碰撞的誤判、漏判，影響正常的生產(chǎn)加工；由于要達到指定的信號幅 值門限值需要一定的時間，刀具碰撞辨識速度慢，效率低；成本過高，目前的刀具監(jiān)控設(shè)備 大多是國外進口設(shè)備，技術(shù)上嚴(yán)格保密，價格昂貴。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點和/或改進需求，本發(fā)明提供了一種基于電機電流的銑 削刀具碰撞快速辨識方法，其中利用了銑削刀具切入過程的接觸力原理及切削負(fù)荷的波動 規(guī)律，通過實時監(jiān)測的電流信號的幅值和最大斜率值與標(biāo)定的碰撞辨識參數(shù)進行比較，從 而快速有效的辨識出刀具碰撞，此外，還充分考慮了主軸制動、暫停后繼續(xù)加工等工況對刀 具碰撞辨識的影響，相應(yīng)的能提高刀具碰撞辨識的準(zhǔn)確度，減少誤判、漏判，同時本發(fā)明還 具備刀具碰撞辨識時間短，成本低等優(yōu)點，并且能夠有效的保護主軸、刀具及工件，因而尤 其適用于各種刀具的在線碰撞辨識等場合。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種基于電機電流的銑削刀具碰撞快速辨識方 法，其特征在于，該方法包括如下步驟：
[0007] (1)電流RMS信號的獲?。豪米鳛楸O(jiān)測對象的銑削刀具對工件進行試切，監(jiān)測銑 削刀具的驅(qū)動電機在不同工況下的三相電流信號，并提取電流信號表征切削負(fù)荷的特征量 1_值，然后對所述IRMS進行平滑處理，以去除干擾信號；
[0008] (2)刀具碰撞辨識參數(shù)的標(biāo)定：根據(jù)步驟（1)中平滑處理后的特征量IRMS標(biāo)定出如 下辨識參數(shù)：主軸空轉(zhuǎn)工況下的空轉(zhuǎn)幅值A(chǔ)i，刀具切入過程工況下的波動周期內(nèi)的斜率的 最大值Vup和最小值Vd_，刀具切削加工工況下的幅值的最大值A(chǔ)up和最小值A(chǔ)d_，刀具切削 加工工況下的斜率的最大值Vpup，主軸制動工況下的斜率的最小值Vbd_，主軸暫停后繼續(xù) 加工工況下的空轉(zhuǎn)幅值A(chǔ)zt及主軸暫停后繼續(xù)加工后刀具切入過程的波動周期內(nèi)的斜率最 大值Vzt;
[0009] (3)刀具碰撞的在線辨識：所述刀具在實際切削加工時，實時監(jiān)測并獲取實際切 削加工過程中的經(jīng)平滑處理后的IRMS的實測值A(chǔ)及其波動周期內(nèi)的最大斜率V"，通過該實 測值A(chǔ)和最大斜率V"與步驟（2)中標(biāo)定出的相應(yīng)的辨識參數(shù)進行在線辨識運算，從而準(zhǔn)確 快速的辨識出銑削刀具是否發(fā)生碰撞。
[0010] 作為進一步優(yōu)選的，步驟（3)中所述的刀具碰撞的在線辨識包括切入過程碰撞辨 識模塊和切削加工碰撞辨識模塊。
[0011] 作為進一步優(yōu)選的，所述的切入過程碰撞辨識模塊的具體辨識過程如下：
[0012] 1)當(dāng)實時監(jiān)測到的所述實測值A(chǔ)超出所述空轉(zhuǎn)幅值A(chǔ)i-定范圍后，判斷所述Vm是 否滿足Vd_<V#vup的條件：若是，則說明正常切入并跳轉(zhuǎn)至切削過程碰撞辨識模塊；若 不是，則轉(zhuǎn)入步驟2);
[0013] 2)接著判斷Vm是否大于Vup:若不是，說明加載的切削負(fù)荷不夠；若是，則進一步 判斷所述實測值A(chǔ)是否大于等于所述幅值A(chǔ)zt:若不是，則判斷為刀具切入過程發(fā)生碰撞；若 是，則轉(zhuǎn)入步驟3);
[0014] 3)繼續(xù)判斷Vm是否等于所述Vzt:若是，則判斷為屬于暫停后繼續(xù)加工的工況；若 不是，則轉(zhuǎn)入步驟4);
[0015] 4)繼續(xù)判斷Vm是否大于等于所述Vbd_:若是，則判斷為主軸制動；若不是，則判 斷為切入過程發(fā)生碰撞。
[0016] 作為進一步優(yōu)選的，所述的一定范圍預(yù)先被設(shè)定為1. 5%~2%。
[0017] 作為進一步優(yōu)選的，所述的切削加工碰撞辨識模塊的具體辨識過程如下：
[0018]a)判斷實時監(jiān)測到的所述實測值A(chǔ)是否滿足Ad_彡A彡Aup的條件：若是，則說明 正常切削；若不是，則轉(zhuǎn)入步驟b);
[0019] b)接著判斷該實測值A(chǔ)是否大于Aup:若不是，說明加載的切削負(fù)荷不夠；若是，則 判斷所述V"是否大于等于所述Vpup，當(dāng)比較結(jié)果為是時，判斷為切削加工過程中發(fā)生碰撞。
[0020] 總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的 技術(shù)優(yōu)點：
[0021]1.本發(fā)明的辨識準(zhǔn)確度高，其利用了當(dāng)銑削刀具發(fā)生碰撞時，切削負(fù)荷瞬間增大， 刀具與工件接觸時電流RMS值的斜率也很大的規(guī)律，并根據(jù)機床特性，學(xué)習(xí)獲得了電流的 響應(yīng)特性，在此基礎(chǔ)上，充分考慮了主軸制動、暫停后繼續(xù)加工等工況對刀具碰撞辨識可能 造成的誤判；在實際刀具碰撞辨識中考慮了切入碰撞及切削過程中可能發(fā)生的碰撞，減少 了刀具碰撞的誤判、漏判。
[0022] 2.本發(fā)明的辨識響應(yīng)速度快，利用刀具以不同的接觸條件與工件接觸，產(chǎn)生的接 觸力大小是不同的原理，能夠在刀具接觸工件后的瞬時就辨識出是否發(fā)生碰撞，縮短了刀 具碰撞辨識的時間，能夠有效地保護主軸、刀具及工件等；此外，采用本發(fā)明的辨識方法進 行刀具碰撞的辨識，成本低，且無需改動機床。
【附圖說明】
[0023] 圖1是銑削刀具碰撞辨識方法整體實現(xiàn)框架圖；
[0024] 圖2 (a)為電機電流未經(jīng)平滑處理后的RMS時域波形圖及局部放大圖；
[0025] 圖2 (b)為電機電流經(jīng)平滑處理后的RMS時域波形圖；
[0026] 圖3 (a)為空轉(zhuǎn)IRMS值示意圖；
[0027] 圖3(b)為切入過程斜率示意圖；
[0028] 圖4(a)、4(b)分別為主軸制動工況下的IRMS值和斜率示意圖；
[0029] 圖5為刀具切入過程電流RMS波動模型示意圖；
[0030] 圖6(a)、6 (b)為實測切入過程的正常切入和刀具碰撞RMS的波動周期示意圖；
[0031] 圖7 (a)為基于電機電流的銑削加工刀具切入過程碰撞辨識流程圖；
[0032] 圖7 (b)為基于電機電流的銑削加工刀具切削過程碰撞辨識流程圖；
【具體實施方式】
[0033] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對 本發(fā)明進行進一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0034] 一種基于電機電流的銑削刀具碰撞快速辨識方法，該方法通過監(jiān)測機床試加工時 電機電流信號，提取表征切削負(fù)荷的電流特征量（RMS值），結(jié)合工藝參數(shù)對其進行平滑處 理，進一步標(biāo)定出平滑后的RMS信號在刀具切入、切削、主軸空轉(zhuǎn)、主軸制動和暫停后繼續(xù) 加工等工況下的幅值、斜率，基于這些參數(shù)實現(xiàn)刀具碰撞的快速而準(zhǔn)確的辨識。
[0035] 在本實施例中，設(shè)定銑削加工參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速S = 500prm，進給速度F = 100mm/ min，切深H = 3mm ;刀具為〇 16超硬直柄球頭銑刀、2齒，辨識方法具體包括以下步驟： [0036] (1)搭建監(jiān)測驅(qū)動電機三相電流信號的平臺，根據(jù)實際工藝參數(shù)，利用作為被測對 象的超硬直柄球頭銑刀進行試切，分別監(jiān)測主軸空轉(zhuǎn)、刀具切入過程、刀具切削過程、主軸 制動、主軸暫停后繼續(xù)加工五個工況下的主軸電機的三相電流信號iu、1及i w，并提取電流 信號表征切削負(fù)荷的特征量IRMS，由式（1)給出：
[0037]
[0038] 結(jié)合工藝參數(shù)對電機電流RMS值進行平滑處理，采用滑動窗平均算法進行，參 數(shù)涉及滑動窗長、滑動步長及采樣頻率，滑動窗長、滑動步長結(jié)合主軸轉(zhuǎn)速S、進給速度 F及刀具直徑D等參數(shù)選取，本實施例中選取滑動窗長
滑動步長
:S (其中N = 6)，平滑前、后的波形對比圖如圖2(a