[發明專利]基于切削功率的數控車削批量加工刀具磨損在線監測方法

在審

• 申請號: 201710381843.4
• 申請日: 2017-05-25
• 公開（公告）號: CN107186547A
• 公開（公告）日: 2017-09-22
• 發明（設計）人: 李聰波;萬騰;陳行政;付松;雷焱緋;楊青山;李鴻凱
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: B23Q17/09
• 分類號: B23Q17/09;B23Q17/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.基于切削功率的數控車削批量加工刀具磨損在線監測方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟1：分析刀具磨損量和加工參數對切削功率的影響；

步驟2：通過正交試驗設計與響應面法建立切削功率與刀具磨損量及加工參數的回歸模型；

步驟3：在建立切削功率與刀具磨損量及加工參數的回歸模型的基礎上，得到實時更新切削功率閾值的刀具磨損在線監測方法。

2.根據權利要求1所述的基于切削功率的數控車削批量加工刀具磨損在線監測方法，其特征在于：在步驟1中，分析刀具磨損量和加工參數對切削功率影響的過程為：

(1)分析刀具磨損量對切削功率的影響

由于刀具磨損產生的附加切削功率ΔP_c為

ΔP_c＝F_FW·v_c＝μHVBs·v_c

式中，F_FW為由磨損引起的刀具與工件間的摩擦力，v_c為車削加工過程中刀具與工件接觸點的線速度，μ為刀具與工件間的滑動摩擦系數，H為工件材料的布氏硬度，VB為刀具后刀面磨損量，s為刀具后刀面磨損帶長度。

(2)分析加工參數對切削功率的影響

對于車削加工過程，切削功率P_c與加工參數之間存在著指數關系：

式中：F_c為切削力，v_c為切削速度，a_p為背吃刀量，f為每轉進給量，C_F、X_F、Y_F、n_F以及K_F為相應的切削力影響指數。

3.根據權利要求 1 所述的基于切削功率的數控車削批量加工刀具磨損在線監測方法，其特征在于：在步驟 2 中，通過正交試驗設計與響應面法建立切削功率與刀具磨損量及加工參數的回歸模型的過程為：

(1) 正交試驗設計

使用功率傳感器對切削功率進行采集監測，使用超景深三維顯微系統測量車刀磨損量，在一定實驗條件下進行正交試驗。

將車刀后刀面磨損量 VB 以及車削三要素 ( 切削速度 v_c 、進給量 f 、背吃刀量 a_p) 作為影響切削功率 P_c 的四個因素，各因素分別設定三個水平，其中刀具磨損量 VB 分別用不同的數值表征刀具輕微磨損，中度磨損和嚴重磨損三個階段。

(2) 建立切削功率與刀具磨損量及加工參數的回歸模型

響應面 (the response surface methodology ， RSM) 多項式回歸模型采用二次回歸方程，通過最小二乘法求取回歸方程系數，進而構造出響應量和自變量之間的函數。

采用二階響應曲面模型來表達切削功率與刀具磨損量及加工參數之間的關系，具體表達式如下：

式中： y 表示切削功率， x 表示刀具磨損量、切削速度、進給量和背吃刀量，β ₀ ，β ₁ ， ... ，β _m 表示回歸方程的系數，ε表示回歸值與實際值的誤差。

采用 Minitab 16 軟件對實驗所得到的數據進行擬合，由于各自變量的變化范圍不相同，為解決量綱不同給設計和分析帶來的麻煩，將自變量后刀面磨損量 VB 、切削速度 v_c、進給量 f 、背吃刀量 a_p 分別做線性變換 ( 又稱編碼變換 ) ，具體公式如下：

經過線性變換處理后的各自變量 A 、 B 、 C 、 D 變化范圍均在 [-1 ， 1] 之間。

4.根據權利要求1所述的基于切削功率的數控車削批量加工刀具磨損在線監測方法，其特征在于：在步驟3中，所述的一種實時更新切削功率閾值的數控車削批量加工刀具磨損在線監測方法過程為：

(1)根據機床、刀具以及工件信息判斷歷史數據中是否已有該加工條件下的切削功率與刀具磨損量及加工參數的回歸模型，如果沒有，則需要通過正交實驗設計以及響應面法建立模型。同時將所得模型存入歷史數據庫中；

(2)通過功率采集系統獲取機床總功率以及主傳動系統功率，并對功率信號進行濾波處理；

(3)與數控車床NC系統實現通信，同時結合機床功率信息判斷機床狀態；

(4)當機床處于加工狀態時通過NC系統讀取車削過程加工參數，同時根據工件表面粗糙度及尺寸精度要求設定適當的刀具磨鈍標準(允許的最大刀具磨損量)，將加工參數以及刀具磨鈍標準帶入切削功率與磨損量以及加工參數的回歸模型中實時計算切削功率閾值[P_c]；

(5)將通過功率采集系統實時測量并計算所得的切削功率P_c與切削功率閾值[P_c]進行比較。若P_c＜[P_c]，則返回步驟4；若P_c＞[P_c]，則說明刀具磨損量已達到事先設定的磨鈍標準，此時應該停止加工并更換刀具。