[發(fā)明專利]基于數(shù)控機床主軸和伺服軸功率的切削力系數(shù)辨識方法

有效

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• 申請日: 2016-06-30
• 公開（公告）號: CN106094730B
• 公開（公告）日: 2018-04-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 仇健;葛任鵬;吳玉厚;張珂;趙德宏
• 申請（專利權(quán)）人: 沈陽建筑大學(xué)
• 主分類號: G05B19/408
• 分類號: G05B19/408
• 代理公司: 沈陽東大知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司21109
• 代理人: 陳岑

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及金屬切削加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于數(shù)控機床主軸和伺服軸功率的切削力系數(shù)辨識方法。

背景技術(shù)：

切削力系數(shù)是評估切削力的重要參數(shù)，切削力系數(shù)用來表示切削加工中刀具去除單位面積材料所需的切削力，與被切削材料、刀具、甚至機床等有關(guān)。可用來表征材料的可切削性、刀具的切削性能、以及機床的剛度等性能。通常用來作為經(jīng)驗公式、數(shù)據(jù)手冊或數(shù)據(jù)庫來查找，從而方便工藝人員校核刀具或機床的強度，確定去除材料所需要消耗的能量，或用來作為預(yù)測切削工藝系統(tǒng)切削顫振的輸入條件。

切削力系數(shù)的獲取方法主要分為兩種：一種方法是通過實驗確定切削力系數(shù)，基于實驗數(shù)據(jù)進行回歸統(tǒng)計建立切削力數(shù)學(xué)模型；另外一種方法是依據(jù)刀具幾何模型計算切削力系數(shù)，通過不同工藝參數(shù)的切削試驗或有限元分析，利用工件、刀具與切削力關(guān)系獲得切削力系數(shù)。加拿大UBC大學(xué)的Altintas、美國佛羅里達大學(xué)的Smith等人是通過測量出在各種每齒進給量下的切削力，并對數(shù)據(jù)進行線性回歸，進而獲得銑削力系數(shù)。目前，在切削力系數(shù)的研究方面，多數(shù)都是應(yīng)用Altintas等人的基礎(chǔ)理論來進行切削力系數(shù)的辨識。但也有一些學(xué)者進行了若干不同角度的探索，如云南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院趙昌林通過對切削狀態(tài)誤差復(fù)印的測定及對工藝系統(tǒng)剛度的測定或計算，可計算出徑向切削力系數(shù)。南京工程學(xué)院侯軍明等人在對薄壁零件加工過程中的受力以及彈性變形進行分析的基礎(chǔ)上，建立基于加工零件表面誤差求解切削力系數(shù)的理論模型。田鳳杰等人建立了包含切削速度、切削深度和每齒進給量為主要加工參數(shù)的切削力系數(shù)函數(shù)，采用二次多項式表示銑削力系數(shù)模型。

上述切削力系數(shù)的計算方法中，都是直接利用測試切削力或解析方法計算切削力并進一步辨識得出切削力系數(shù)。但是，都是需要專用的測力儀，價格較高昂；對于車削加工，測力儀主體懸于刀架或刀塔外側(cè)，降低了刀具系統(tǒng)剛度，容易發(fā)生顫振，對于加工會產(chǎn)生不利影響，同時，發(fā)生顫振的切削力數(shù)據(jù)不容易辨識。另外，降低了剛度的刀具系統(tǒng)切削獲得的切削力較實際值偏大。測力儀安裝調(diào)試較復(fù)雜，若某些機床伺服驅(qū)動系統(tǒng)可讀取功率、電流或扭矩等數(shù)據(jù)，則可實現(xiàn)無外接傳感器的測試辨識，方法更便捷。

發(fā)明內(nèi)容：

本發(fā)明的目的是提供一種利用功率測試取代切削力測試的基于數(shù)控機床主軸和伺服軸功率的切削力系數(shù)辨識方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供的基于數(shù)控機床主軸和伺服軸功率的切削力系數(shù)辨識方法，包括以下步驟：

步驟一：在數(shù)控機床上布置測試傳感器，并在對應(yīng)切削時應(yīng)用主軸轉(zhuǎn)速的空運轉(zhuǎn)、對應(yīng)切削時Z軸進給速度下的Z軸空運轉(zhuǎn)、X軸無載荷的靜態(tài)測試下，記錄主軸、Z軸、X軸電機的三相電流和電壓信號，并獲得主軸和Z軸的空載功率P₀、P_z0和X軸空載電流I_x0；

步驟二：在一定切削參數(shù)下，進行變切深切削試驗，記錄主軸、Z軸、X軸電機的三相電流和電壓信號，進而獲得主軸和Z軸的功率數(shù)據(jù)P_s、P_z和X軸電流I_x；

步驟三：根據(jù)步驟二得到的功率數(shù)據(jù)，繪制出主軸和Z軸電機的功率與對應(yīng)切削參數(shù)下的材料去除率之間的關(guān)系曲線，并通過線性擬合得到表達式函數(shù)，提取主軸電機對應(yīng)的斜率k和截距a，以及Z軸電機對應(yīng)的k_z和a_z；

步驟四：通過步驟一得到的主軸空運轉(zhuǎn)時的空載功率P₀及步驟三得到的主軸電機對應(yīng)的斜率k和截距a，進而得到主軸的切削力系數(shù)；

步驟五：通過步驟一得到的Z軸空運轉(zhuǎn)時的空載功率P_z0及步驟三得到的Z軸電機對應(yīng)的k_z和a_z，進而得到Z軸的切削力系數(shù)；

步驟六：通過步驟一得到的X軸空載電流I_x0，得到X軸無切削載荷時的空載扭矩T_x0，并通過步驟二記錄的X軸電機的電流I_x，繪制X軸電機的電流與對應(yīng)切削深度的關(guān)系曲線，并通過線性擬合得到表達式函數(shù)，進而得到X軸切削力系數(shù)。

在步驟一中，所述測試傳感器為電流傳感器和電壓傳感器，將電流傳感器分別接于被測電機的三相輸入端，將電纜由電流傳感器中間通孔穿過，將電壓傳感器通過電線和接線端子與電機輸入端相連，并將輸出信號線接出，將電流傳感器和電壓傳感器的輸出端接于數(shù)據(jù)采集卡上或通過接線端子轉(zhuǎn)接，然后對電流和電壓信號進行采集。