本發(fā)明涉及一種臥式內(nèi)拉床智能拉削單元，特別是涉及一種臥式內(nèi)拉床專用的拉削刀具負(fù)載、磨損和壽命的智能檢測(cè)與拉削控制單元。

背景技術(shù)：

拉削是在復(fù)雜的內(nèi)部和外部輪廓、高表面完整性和精度要求的部件的制造中廣泛使用的加工方式。它在制造燃?xì)廨啓C(jī)和航空航天工業(yè)中難加工材料方面特別適用。拉削刀具的狀況對(duì)于達(dá)到航空航天工業(yè)所需的表面完整性水平具有重要的影響，特別是對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件。因此將拉刀狀態(tài)維持在一個(gè)良好的狀態(tài)是對(duì)難加工材料進(jìn)行精密加工時(shí)的重要保障。

另外，由于拉刀在拉削過程中的刀齒的磨損與拉削力、拉削振動(dòng)、拉削速度等都有關(guān)系，具有變量多、耦合性強(qiáng)以及非線性的特點(diǎn)，難以針對(duì)刀齒的磨損建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，這就給判斷拉刀壽命帶來了很大的困難。由于影響拉刀磨損的因素很多，包括拉削速度、拉削振動(dòng)、潤滑條件等，如何綜合各類影響因素，從而建立起這些影響因素與刀具磨損情況的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而分析得到刀具的壽命情況，是實(shí)現(xiàn)對(duì)拉刀壽命進(jìn)行實(shí)時(shí)檢診的關(guān)鍵部分。而現(xiàn)有的技術(shù)還不能夠有效檢診拉刀壽命，更無法實(shí)現(xiàn)對(duì)拉刀壽命的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

目前，國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)大多通過工人經(jīng)驗(yàn)對(duì)拉刀磨損情況進(jìn)行觀察推斷出刀具的使用壽命情況，然而這種方法容易產(chǎn)生誤判，準(zhǔn)確度不高，診斷效果不理想，難以保證拉刀維持在良好的運(yùn)行狀態(tài)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)臥式內(nèi)拉床的拉削刀具負(fù)載、磨損和壽命不易實(shí)時(shí)反饋的問題，提出了一種集刀具負(fù)載、刀齒磨損與壽命智能檢測(cè)和拉削過程控制為一體的臥式內(nèi)拉床智能拉削單元。該智能拉削單元是一種臥式內(nèi)拉床專用的基于液壓缸兩腔壓力反饋的拉削負(fù)載特性檢測(cè)傳感器設(shè)置裝置；是一種拉削負(fù)載特性的聲發(fā)射檢測(cè)裝置；是一種臥式內(nèi)拉床專用的拉削位移和速度檢測(cè)裝置；是一種基于拉削速度和拉削負(fù)載特性，通過模糊推理和決策規(guī)則自學(xué)習(xí)原理，進(jìn)行刀齒磨損和壽命智能預(yù)測(cè)裝置；是一種可根據(jù)刀具磨損和壽命預(yù)測(cè)結(jié)果，通過電液比例閥，優(yōu)化調(diào)整拉削加工參數(shù)(拉削速度，切削液用量等)的智能單元；是一種可根據(jù)刀具磨損和壽命預(yù)測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)拉刀質(zhì)量優(yōu)劣的智能單元。

本發(fā)明包括傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、wincc監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、診斷模塊、控制模塊、自學(xué)習(xí)模塊、輸出模塊和執(zhí)行模塊。

所述的傳感器模塊包括應(yīng)變片式傳感器、聲波式傳感器、壓應(yīng)力傳感器、流量傳感器和位移傳感器。臥式內(nèi)拉床的工件安裝座沿周向均布設(shè)置四片應(yīng)變片式傳感器，主油缸的進(jìn)、出液壓管上均設(shè)置壓應(yīng)力傳感器；所述聲波式傳感器懸空安裝于拉刀正上方；所述流量測(cè)傳感器設(shè)置在執(zhí)行模塊中微量潤滑模塊的管路中；所述位移傳感器設(shè)置在主油缸末端，測(cè)量主油缸的活塞桿位移。

所述的數(shù)據(jù)采集模塊包括模擬量輸入模塊和通訊模塊；所述模擬量輸入模塊對(duì)應(yīng)變片式傳感器、聲波式傳感器、壓應(yīng)力傳感器、流量傳感器和位移傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并且將采集到的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)進(jìn)行保存；wincc監(jiān)控系統(tǒng)通過通訊模塊與模擬量輸入模塊通訊，將模擬量輸入模塊保存的數(shù)字量信號(hào)傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊。

所述的數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)數(shù)字量信號(hào)進(jìn)行低通濾波，然后按各個(gè)刀齒采集時(shí)間劃分進(jìn)行均值運(yùn)算，獲得各個(gè)刀齒的拉削力、拉削振動(dòng)和主油缸兩腔壓力、切削液流量以及拉削速度五個(gè)特征量實(shí)際值。

所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊包括特征量數(shù)據(jù)庫、控制規(guī)則數(shù)據(jù)庫和診斷結(jié)果數(shù)據(jù)庫。所述特征量數(shù)據(jù)庫用于存放數(shù)據(jù)處理模塊輸出的特征量實(shí)際值。所述控制規(guī)則數(shù)據(jù)庫用于存放特征量標(biāo)準(zhǔn)值和模糊決策矩陣。

所述的診斷模塊包括模糊決策模塊，所述模糊決策模塊從特征量數(shù)據(jù)庫中讀取各個(gè)刀齒的拉削力、拉削振動(dòng)、主油缸兩腔壓力、切削液流量以及拉削速度五個(gè)特征量實(shí)際值，由所述的五個(gè)特征量實(shí)際值構(gòu)成一個(gè)輸入樣本，對(duì)輸入樣本進(jìn)行模糊決策，得到該輸入樣本在不同刀齒磨損情況中的隸屬度，將隸屬度最大值對(duì)應(yīng)的刀齒磨損情況作為實(shí)際輸出結(jié)果存放在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的診斷結(jié)果數(shù)據(jù)庫中，診斷結(jié)果數(shù)據(jù)庫中預(yù)先存儲(chǔ)有根據(jù)拉削力、拉削振動(dòng)、主油缸兩腔壓力、切削液流量以及拉削速度五個(gè)特征量標(biāo)準(zhǔn)值模擬得到的刀齒磨損情況預(yù)期輸出結(jié)果。所述控制模塊根據(jù)診斷模塊輸出的刀齒磨損情況實(shí)際輸出結(jié)果輸出對(duì)應(yīng)的控制量。所述輸出模塊用于將控制模塊輸出的控制量轉(zhuǎn)換成模擬量信號(hào)輸出給執(zhí)行模塊。

所述自學(xué)習(xí)模塊以診斷結(jié)果數(shù)據(jù)庫中的刀齒磨損情況實(shí)際輸出結(jié)果和預(yù)期輸出結(jié)果的偏差作為參考，實(shí)現(xiàn)對(duì)隸屬度進(jìn)行調(diào)整，并更新控制規(guī)則數(shù)據(jù)庫中模糊決策矩陣，實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)。

所述執(zhí)行模塊包括微量潤滑模塊和比例閥。所述微量潤滑模塊包括空氣壓縮機(jī)、調(diào)壓閥、壓力表、油泵、水泵和多段式噴嘴；兩個(gè)調(diào)壓閥分別根據(jù)輸出模塊輸出的模擬量信號(hào)調(diào)節(jié)油泵和水泵的輸出液壓壓力，實(shí)現(xiàn)對(duì)切削液流量的控制，油泵油管路和水泵水管路中均設(shè)置壓力表；所述多段式噴嘴將空氣管路、水管路、油管路進(jìn)行匯合；比例閥根據(jù)輸出模塊輸出的模擬量信號(hào)調(diào)節(jié)主油缸流量，實(shí)現(xiàn)對(duì)拉削速度的控制。

所述的模擬量輸入模塊采用西門子股份公司的s7-300plc的sm331模塊，通訊模塊采用32bitpci卡。

所述的wincc監(jiān)控系統(tǒng)采用西門子股份公司的wincc監(jiān)控系統(tǒng)，且wincc監(jiān)控系統(tǒng)通過人機(jī)界面模塊實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

所述的wincc監(jiān)控系統(tǒng)通過profibus網(wǎng)絡(luò)與通訊模塊連接，采集數(shù)字量信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)。

所述的wincc監(jiān)控系統(tǒng)通過profibus網(wǎng)絡(luò)與輸出模塊連接。

所述模糊決策的具體步驟如下：

(1)將刀齒所有磨損情況定義為原因集，用向量y＝{y1,y2,y3,y4,y5,y6,y7,y8}表示，yj，j＝1,2,…，7,8分別對(duì)應(yīng)一種磨損情況。計(jì)算各個(gè)刀齒的拉削力、拉削振動(dòng)、主油缸兩腔壓力、切削液流量以及拉削速度的特征量實(shí)際值與控制規(guī)則數(shù)據(jù)庫中特征量標(biāo)準(zhǔn)值的偏差e和偏差變化率δe；所述拉削力、拉削振動(dòng)、主油缸兩腔壓力、切削液流量以及拉削速度的特征值的偏差和偏差變化率構(gòu)成一個(gè)現(xiàn)象集，用向量x＝{x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8,x9,x10}表示，x1,x2分別對(duì)應(yīng)拉削力的偏差和偏差變化率，x3,x4分別對(duì)應(yīng)拉削振動(dòng)的偏差和偏差變化率，x5,x6分別對(duì)應(yīng)主油缸兩腔壓力的偏差和偏差變化率，x7,x8分別對(duì)應(yīng)切削液流量的偏差和偏差變化率，x9,x10分別對(duì)應(yīng)拉削速度的偏差和偏差變化率。

(2)構(gòu)造模糊決策矩陣:對(duì)原因集中刀齒存在的每一種磨損情況引起的拉削力、拉削振動(dòng)、主油缸兩腔壓力、切削液流量以及拉削速度的變化進(jìn)行判斷，計(jì)算出每種磨損情況yj，j＝1,2,…，7,8對(duì)現(xiàn)象集中各種現(xiàn)象xi，i＝1,2,…，9,10的隸屬度rji，進(jìn)而構(gòu)成模糊決策矩陣：

(3)模糊決策運(yùn)算：

式中表示合成運(yùn)算。經(jīng)模糊決策運(yùn)算后得到原因集y中每種磨損情況yj(j＝1,2,…，7,8)的隸屬度，選取隸屬度最大的磨損情況yj作為輸出結(jié)果進(jìn)行輸出。

所述的自學(xué)習(xí)模塊進(jìn)行自學(xué)習(xí)的具體步驟是：

(1)刀齒的現(xiàn)象集經(jīng)過模糊決策運(yùn)算后得到一個(gè)隸屬度最大的磨損情況ym，即實(shí)際輸出結(jié)果。計(jì)算刀齒磨損情況實(shí)際輸出結(jié)果ym與預(yù)期輸出結(jié)果y′m的偏差am，計(jì)算公式為：

am＝y(tǒng)m-y′m(3)

(2)以am作為參考對(duì)隸屬度rji進(jìn)行調(diào)整，具體調(diào)整公式為：

r′ji＝rji-bamxi(4)

式中b代表比例因子，取值范圍為0≤b≤1。

本發(fā)明是一種臥式內(nèi)拉床專用的基于液壓缸兩腔壓力反饋的拉削負(fù)載特性檢測(cè)傳感器設(shè)置裝置；是一種拉削負(fù)載特性的聲發(fā)射檢測(cè)裝置；是一種臥式內(nèi)拉床專用的拉削位移和速度檢測(cè)裝置；是一種基于拉削速度和拉削負(fù)載特性，通過模糊推理和決策規(guī)則自學(xué)習(xí)原理，進(jìn)行刀齒磨損和壽命智能預(yù)測(cè)裝置；是一種可根據(jù)刀具磨損和壽命預(yù)測(cè)結(jié)果，通過電液比例閥，優(yōu)化調(diào)整拉削加工參數(shù)(拉削速度，切削液用量等)的智能單元；是一種可根據(jù)刀具磨損和壽命預(yù)測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)拉刀質(zhì)量優(yōu)劣的智能單元。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中各個(gè)模塊的安裝連接圖；

圖2是圖1中a部分的放大圖；

圖3是本發(fā)明中各個(gè)模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖；

圖中：1-拉刀，2-工件，3-導(dǎo)套，4-端板，5-夾刀裝置，6-溜板，7-接桿，8-導(dǎo)向柱，9-床身，10-主油缸，11-活塞桿，12-磁環(huán)，13-位移傳感器，14-控制器，15-數(shù)據(jù)采集模塊，16-wincc監(jiān)控系統(tǒng)，17-輸出模塊，18-壓應(yīng)力傳感器,19-應(yīng)變片式傳感器，20-空氣壓縮機(jī)，21-調(diào)壓閥，22-壓力表，23-油泵，24-流量計(jì)，25-水泵，26-多段式噴嘴，27-聲波式傳感器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，此處所描述的具體實(shí)施例僅限于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行解釋說明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1、圖2、圖3所示，臥式內(nèi)拉床智能拉削單元，包括傳感器模塊(包括應(yīng)變片式傳感器、聲波式傳感器、壓應(yīng)力傳感器流量傳感器和位移傳感器)、數(shù)據(jù)采集模塊15(包括模擬量輸入模塊和通訊模塊；模擬量輸入模塊采用s7-300plc的sm331模塊，通訊模塊采用32bitpci卡)、執(zhí)行模塊(包括微量潤滑模塊和比例閥)、wincc監(jiān)控系統(tǒng)16、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊(包括特征量數(shù)據(jù)庫、控制規(guī)則數(shù)據(jù)庫和診斷結(jié)果數(shù)據(jù)庫)、診斷模塊、自學(xué)習(xí)模塊和輸出模塊17。如圖3所示，數(shù)據(jù)采集模塊與wincc監(jiān)控系統(tǒng)通過profibus網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信，wincc監(jiān)控系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)并保存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中，數(shù)據(jù)處理模塊提取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中的數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波，然后按各個(gè)刀齒采集時(shí)間劃分進(jìn)行均值運(yùn)算，獲得各個(gè)刀齒的拉削力、拉削振動(dòng)和主油缸兩腔壓力、切削液流量以及拉削速度五個(gè)特征量。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊分別與數(shù)據(jù)處理模塊、診斷模塊以及自學(xué)習(xí)模塊相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)特征量實(shí)際值、特征量標(biāo)準(zhǔn)值和診斷結(jié)果等數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和輸送。診斷模塊從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中特征量數(shù)據(jù)庫讀取各個(gè)刀齒的拉削力、拉削振動(dòng)、主油缸兩腔壓力、切削液流量以及拉削速度五個(gè)特征量實(shí)際值，由五個(gè)特征量構(gòu)成一個(gè)輸入樣本，對(duì)樣本進(jìn)行模糊決策，得到該樣本在不同刀齒磨損情況中的隸屬度，將隸屬度最大值對(duì)應(yīng)的刀齒磨損情況作為實(shí)際輸出結(jié)果存放在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的診斷結(jié)果數(shù)據(jù)庫中，診斷結(jié)果數(shù)據(jù)庫中預(yù)先存儲(chǔ)有根據(jù)拉削力、拉削振動(dòng)、主油缸兩腔壓力、切削液流量以及拉削速度五個(gè)特征量標(biāo)準(zhǔn)值模擬得到的刀齒磨損情況預(yù)期輸出結(jié)果。

自學(xué)習(xí)模塊以診斷結(jié)果數(shù)據(jù)庫中的刀齒磨損情況實(shí)際輸出結(jié)果和預(yù)期輸出結(jié)果的偏差作為參考，實(shí)現(xiàn)對(duì)隸屬度進(jìn)行調(diào)整，并更新控制規(guī)則數(shù)據(jù)庫中模糊決策矩陣，實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)。

臥式內(nèi)拉床包括拉刀1、導(dǎo)套3、端板4、夾刀裝置5、溜板6、接桿7、導(dǎo)向柱8、床身9和主油缸10；導(dǎo)套3固定在端板4上，夾刀裝置5設(shè)置在溜板6上；拉刀1穿過導(dǎo)套3由夾刀裝置5夾持；溜板6兩端與兩根平行導(dǎo)向柱8滑動(dòng)連接，導(dǎo)向柱8固定在床身9上，溜板6中心通過接桿7與主油缸10內(nèi)的活塞桿11固定，活塞桿11運(yùn)動(dòng)可帶動(dòng)溜板6往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞桿11末端安裝有磁環(huán)12，主油缸10的缸座末端安裝有位移傳感器13測(cè)量主油缸的活塞桿11位移。臥式內(nèi)拉床的工件安裝座沿周向均布設(shè)置四片應(yīng)變片式傳感器19，主油缸10的進(jìn)、出液壓管上均設(shè)置壓應(yīng)力傳感器18；聲波式傳感器27懸空安裝于拉刀正上方；流量測(cè)傳感器24設(shè)置在執(zhí)行模塊中微量潤滑模塊的管路中。

執(zhí)行模塊包括微量潤滑模塊和比例閥14。微量潤滑模塊包括空氣壓縮機(jī)20、調(diào)壓閥21、壓力表22、油泵23、水泵25和多段式噴嘴26；兩個(gè)調(diào)壓閥21分別根據(jù)輸出模塊輸出的模擬量信號(hào)調(diào)節(jié)油泵23和水泵25的輸出液壓壓力，實(shí)現(xiàn)對(duì)切削液流量的控制，油泵23油管路和水泵25水管路中均設(shè)置壓力表；多段式噴嘴26將空氣管路、水管路、油管路進(jìn)行匯合，實(shí)現(xiàn)水、空氣和油的混合；比例閥根據(jù)輸出模塊輸出的模擬量信號(hào)調(diào)節(jié)主油缸10流量實(shí)現(xiàn)對(duì)拉削速度的控制。

模糊決策的具體步驟如下：

(1)刀齒存在的磨損情況(包括輕度磨損、中度磨損、重度磨損、裂齒、碎齒、破齒、斷齒、崩齒)構(gòu)成一個(gè)集合，定義為原因集，用向量y＝{y1,y2,y3,y4,y5,y6,y7,y8}表示，yj，j＝1,2,…，7,8分別對(duì)應(yīng)一種磨損情況。計(jì)算各個(gè)刀齒的拉削力、拉削振動(dòng)、主油缸兩腔壓力、切削液流量以及拉削速度的特征量實(shí)際值與控制規(guī)則數(shù)據(jù)庫中特征量標(biāo)準(zhǔn)值的偏差e和偏差變化率δe；所述拉削力、拉削振動(dòng)、主油缸兩腔壓力、切削液流量以及拉削速度的特征值的偏差和偏差變化率構(gòu)成一個(gè)現(xiàn)象集，用向量x＝{x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8,x9,x10}表示，x1,x2分別對(duì)應(yīng)拉削力的偏差和偏差變化率，x3,x4分別對(duì)應(yīng)拉削振動(dòng)的偏差和偏差變化率，x5,x6分別對(duì)應(yīng)主油缸兩腔壓力的偏差和偏差變化率，x7,x8分別對(duì)應(yīng)切削液流量的偏差和偏差變化率，x9,x10分別對(duì)應(yīng)拉削速度的偏差和偏差變化率。

(2)構(gòu)造模糊決策矩陣:對(duì)原因集中刀齒存在的每一種磨損情況引起的拉削力、拉削振動(dòng)、主油缸兩腔壓力、切削液流量以及拉削速度的變化進(jìn)行判斷，計(jì)算出每種磨損情況yj，j＝1,2,…，7,8對(duì)現(xiàn)象集中各種現(xiàn)象xi，i＝1,2,…，9,10的隸屬度rji，進(jìn)而構(gòu)成模糊決策矩陣：

(3)模糊決策運(yùn)算：

式中表示合成運(yùn)算。經(jīng)模糊決策運(yùn)算后得到原因集y中每種磨損情況yj(j＝1,2,…，7,8)的隸屬度，選取隸屬度最大的磨損情況yj作為輸出結(jié)果進(jìn)行輸出。

自學(xué)習(xí)模塊進(jìn)行自學(xué)習(xí)的具體步驟是：

(1)刀齒的現(xiàn)象集經(jīng)過模糊決策運(yùn)算后得到一個(gè)隸屬度最大的磨損情況ym，即實(shí)際輸出結(jié)果。計(jì)算刀齒磨損情況實(shí)際輸出結(jié)果ym與預(yù)期輸出結(jié)果y′m的偏差am，計(jì)算公式為：

am＝y(tǒng)m-y′m(3)

(2)以am作為參考對(duì)隸屬度rji進(jìn)行調(diào)整，具體調(diào)整公式為：

r′ji＝rji-bamxi(4)

式中b代表比例因子，取值范圍為0≤b≤1。

控制模塊根據(jù)診斷模塊輸出的刀齒磨損情況實(shí)際輸出結(jié)果輸出對(duì)應(yīng)的控制量。wincc監(jiān)控系統(tǒng)提取存放在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中的控制量，并通過profibus網(wǎng)絡(luò)輸送到輸出模塊。輸出模塊用于將控制模塊輸出的控制量轉(zhuǎn)換成模擬量信號(hào)輸出給執(zhí)行模塊對(duì)比例閥、調(diào)壓閥進(jìn)行控制，從而調(diào)整拉削速度以及切削液的流量，達(dá)到改善拉削工況、減緩刀具磨損的目的。