專利名稱：基于數(shù)控銑床主軸伺服電機電流信號的切削狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及數(shù)控銑床切削狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域，具體為一種基于數(shù)控銑床主軸伺服電流監(jiān)測切削狀態(tài)的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
銑削加工是一種斷續(xù)切削方法，不同刀刃參與切削會對工件產(chǎn)生沖擊，形成切削力。切削力是表征切削狀態(tài)的重要物理量，切削力激增反映了機床運行狀況不穩(wěn)定，伴隨產(chǎn) 生振動、刀具-工件接觸區(qū)溫度升高，造成零件加工質(zhì)量惡化，嚴重的會造成刀具磨破損，甚至破壞機床精度。為了減少損失，往往減小切削參數(shù)來保證切削穩(wěn)定、連續(xù)和良好的零件質(zhì)量。通過采集切削力信號可以實時反映加工狀態(tài)，達到切削狀態(tài)監(jiān)測的目的，充分發(fā)揮機床的切削效能。但是由于切削力傳感器加工昂貴，并且銑削加工是刀具旋轉(zhuǎn)進行切削，因此，體積較大的力傳感器無法安裝在主軸或刀具上，更無法內(nèi)置于被加工零件。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種全新的監(jiān)測數(shù)控機床切削狀態(tài)的測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能監(jiān)測切削時數(shù)控銑床主軸伺服電流和負載變化，而且可以通過模型參數(shù)轉(zhuǎn)換間接測量和監(jiān)測切削力、切削扭矩等機床加工狀態(tài)信號的變化情況，進而反映機床的切削狀況。本實用新型的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的基于數(shù)控銑床主軸伺服電機電流信號的切削狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于它包括霍爾電流傳感器、低通濾波調(diào)理儀、數(shù)據(jù)采集卡、交直流轉(zhuǎn)換模塊、計算機；霍爾電流傳感器分別安裝在銑床主軸驅(qū)動伺服電機的三相驅(qū)動電纜上，用于采集主軸驅(qū)動伺服電機的三相交流電信號；經(jīng)低通濾波調(diào)理儀濾波進行信號調(diào)理；調(diào)理后的信號輸入到數(shù)據(jù)采集卡再經(jīng)交直流轉(zhuǎn)換模塊傳輸?shù)接嬎銠C上。所述的計算機與數(shù)控系統(tǒng)連接，數(shù)控系統(tǒng)與進給軸伺服電機連接。本實用新型的工作原理通過對切削實驗測到的數(shù)控銑床切削力和主軸伺服電機電流信號及其經(jīng)交直流轉(zhuǎn)換得到的直流特征量進行時域、頻域分析，發(fā)現(xiàn)主軸伺服電機的三相電流在幅值變化和波動頻率存在與切削力一致的頻率分量，可以用來表征切削負荷，反映切削狀態(tài)。將霍爾電流傳感器分別安裝在機床主軸伺服電機的U、V、W三相交流電纜上，霍爾電流傳感器由15-24V直流穩(wěn)壓電源供電，其信號線引出連接到低通濾波調(diào)理儀上，經(jīng)信號調(diào)理進一步以RS232接口或USB接口形式經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡實時記錄到計算機上。在交流電流信號記錄在采集系統(tǒng)的同時，獲取的三相電流信號需經(jīng)均方根(RMS值)計算作交流-直流轉(zhuǎn)換得到等效直流電信號，以便作為主軸驅(qū)動伺服電機電流的特征量。經(jīng)交直流轉(zhuǎn)換得到的直流特征量除包含切削力頻率分離的同時還包含有其他干擾分離，信號在導(dǎo)入計算模型前采用小波分析手段進行信號辨識或重構(gòu)，由此提取主軸驅(qū)動伺服電機電流RMS信號中與切削力有關(guān)的信號分量。建立切削力和電流件的映射關(guān)系，并形成預(yù)測模型，進而間接反映機床的切削狀態(tài)，實現(xiàn)用低成本霍爾電流傳感器替代力傳感器的方法。最終利用本實用新型形成的切削狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)機床加工狀態(tài)的監(jiān)測。本實用新型創(chuàng)造的有益效果本實用新型克服了傳統(tǒng)切削力測量及建模方法的局限性，從伺服驅(qū)動系統(tǒng)的機理出發(fā)，通過對數(shù)控銑床主軸伺服電機電流信號中與切削有關(guān)的信號提取、辨識、重構(gòu)和建模，為機床在進行金屬切削過程中的運行狀況提供保障，機床在切削故障發(fā)生后，可以有效監(jiān)測和預(yù)測切削加工過程中因加工參數(shù)設(shè)置不當、操作不當、切削顫振或突發(fā)狀況引起的切削沖擊，有效避免因切削狀態(tài)惡化造成的零件報廢、刀具損耗、機床壽命降低等不必要損失。另外，基于主軸伺服驅(qū)動單元的電流信號監(jiān)測力信號，間接建立實時切削力信號的預(yù)測模型，可以進一步作為無測力儀設(shè)備時的切削力測量和智能銑削監(jiān)測系統(tǒng)。

圖I是本實用新型進行切削力和主軸伺服電機電流關(guān)系驗證的原理圖。圖2是驅(qū)動系統(tǒng)交直流轉(zhuǎn)換原理圖。圖3是本實用新型利用電流傳感器代替力傳感器監(jiān)測切削狀態(tài)的原理圖。圖4為機械式主軸的傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及切削負荷傳遞路徑圖。圖5為加入數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)切削狀態(tài)監(jiān)測和控制的系統(tǒng)原理圖。圖中，I是數(shù)控銑床主軸，2是盤銑刀，3是被加工工件，4是銑床工作臺，5是銑床主軸驅(qū)動伺服電機，6是霍爾電流傳感器，7是低通濾波調(diào)理儀，8是數(shù)據(jù)采集卡，9是交直流轉(zhuǎn)換模塊，10是計算機，11是預(yù)測模型，12是軟件系統(tǒng)，13是切削力信號；14是測力儀；15是數(shù)控系統(tǒng)，16是進給軸伺服電機；17是I/O接口板；18是電荷放大器，19為主軸系統(tǒng)，20為傳動系統(tǒng)，21為主軸驅(qū)動伺服電機及其簡化電路。
具體實施方式
在設(shè)計和搭建本監(jiān)測系統(tǒng)前，要進行必要的切削力-電流同步試驗，以全面了解切削力和電流信號的組成成分及其相互聯(lián)系。試驗系統(tǒng)如圖I所示，該試驗系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測對象為由數(shù)控銑床主軸I、盤銑刀2及工件3組成的切削工藝系統(tǒng)。試驗系統(tǒng)包括壓電晶體式測力儀14、電荷放大器18、霍爾電流傳感器6及低通濾波調(diào)理儀7、I/O接口板17等。切削力測試使用測力儀14安裝在工件3上，電流檢測使用霍爾電流傳感器6，三相電流需要三個霍爾電流傳感器6,輸出信號統(tǒng)一為電壓信號，可方便后續(xù)信號處理。數(shù)控加工中心的主軸驅(qū)動伺服電機功率一般在100-300不等，霍爾電流傳感器6選型一般依據(jù)主軸驅(qū)動伺服電機功率的額定功率選擇，既要保證量程又要保證測量精度。霍爾電流傳感器6經(jīng)低通濾波調(diào)理儀7和測力儀14的電荷放大器18與I/O接口板17的輸入端子連接，I/O接口板17的輸出端子與數(shù)據(jù)采集卡8相連，實現(xiàn)電流信號和切削力信號的同步采集。切削力與伺服電機電流間聯(lián)系十分復(fù)雜，并且利用霍爾電流傳感器采集下的伺服電機電流為交流電流，式(1)，建立切削力與電流的關(guān)系模型需要將交流電流轉(zhuǎn)換成直流電流即主軸伺服電機的均方根RMS值，式(2)，該信號減去原點漂移即可作為表征切削力的電流特征信號。交流-直流轉(zhuǎn)換原理如圖2，霍爾電流傳感器分別安裝在銑床主軸伺服電機的 U、V、W三相交流電纜上，因為電流信號包含很多噪聲成分，與U、V、W三向電流連接的霍爾傳 感器的輸出信號給低通濾波調(diào)理儀7，將信號經(jīng)濾波調(diào)理，過濾掉幅值不顯著的嘈雜頻率分 量。經(jīng)信號調(diào)理進一步以RS232接口或USB接口形式傳輸給數(shù)據(jù)采集卡8，再經(jīng)交流-直流 轉(zhuǎn)換模塊9，輸出得到直流電流信號。值得一提的是，經(jīng)交流_直流轉(zhuǎn)換的直流電流信號在 頻域包含很多頻率成分，其中包含與主軸轉(zhuǎn)動有關(guān)的轉(zhuǎn)動頻率、與刀具參與切削的刀齒頻 率、以及主軸自身伺服電流頻率等頻率成分。其中與切削有關(guān)的頻率分量主要是刀齒頻率。 應(yīng)用小波分析將信號進行提取和重構(gòu)，就可以得到與切削力有關(guān)的信號成分。
權(quán)利要求1.基于數(shù)控銑床主軸伺服電機電流信號的切削狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于它包括霍爾電流傳感器(6)、低通濾波調(diào)理儀(7)、數(shù)據(jù)采集卡(8)、交直流轉(zhuǎn)換模塊(9)、計算機(10);霍爾電流傳感器(6)分別安裝在銑床主軸驅(qū)動伺服電機(5)的三相驅(qū)動電纜上，用于采集主軸驅(qū)動伺服電機(5)的三相交流電信號；經(jīng)低通濾波調(diào)理儀(7)濾波進行信號調(diào)理；調(diào)理后的信號輸入到數(shù)據(jù)采集卡(8)再經(jīng)交直流轉(zhuǎn)換模塊(9)傳輸?shù)接嬎銠C(10)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于數(shù)控銑床主軸伺服電機電流信號的切削狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，所述的計算機(10)與數(shù)控系統(tǒng)(15)連接，數(shù)控系統(tǒng)(15)與進給軸伺服電機(16)連接。
專利摘要基于數(shù)控銑床主軸伺服電機電流信號的切削狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，屬于數(shù)控銑床切削狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域，該系統(tǒng)它包括霍爾電流傳感器、低通濾波調(diào)理儀、數(shù)據(jù)采集卡、交直流轉(zhuǎn)換模塊、計算機等。本實用新型基于主軸電流與切削力的映射關(guān)系，利用數(shù)控銑床的主軸伺服電機電流信號反映機床切削狀態(tài)的變化。將霍爾電流傳感器采集到的伺服驅(qū)動電流信號進行小波分解，提取信號中因切削產(chǎn)生的信號特征，并將其重構(gòu)。利用此信號經(jīng)交-直流轉(zhuǎn)換，作為切削力-電流模型的輸入變量，經(jīng)系統(tǒng)軟件部分計算可以實現(xiàn)實時反映機床切削加工狀態(tài)的目的。本實用新型實現(xiàn)了利用數(shù)控銑床主軸伺服電機電流監(jiān)測加工中切削力的方法，用低成本霍爾電流傳感器間接替代高成本力傳感器的目的。
文檔編號B23Q17/09GK202726639SQ20122040086
公開日2013年2月13日 申請日期2012年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月14日
發(fā)明者仇健, 劉春時, 林劍峰, 馬曉波, 曹文智, 劉啟偉, 任寶鋼, 范世平, 楊頊, 譚延林 申請人:沈陽機床(集團)設(shè)計研究院有限公司