一種數控工具機電機電流與切削負荷關係標定裝置的製作方法

2023-04-28 19:45:36

專利名稱：一種數控工具機電機電流與切削負荷關係標定裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及數控工具機標定測量技術，具體為一種基於磁流變阻尼器的 數控工具機電機電流與切削負荷關係標定裝置，該裝置在廣義上是一種提供 模擬負載的裝置，適用於任何需要提供負載的場合，用於標定數控工具機電 機電流和切削負荷關係時則是一種用於數控裝備開發的標定測量工具。
背景技術：
數控裝備的重要特徵就是加工的高速度與高精度。加工速度和精度是 數控設備最重要的性能指標，追求高速度和高精度始終是推動數控技術發 展的動力之一。
目前，全世界數控工具機及其它數控設備的生產量與日俱增。早期的數 控裝備以及現在的一些中低檔數控裝備多為開環和半閉環控制，加工速度 和精度範圍有限。實際加工過程是複雜多變的，在工具機一刀具一工件組成 的系統上進行切削加工是一個動態過程，有許多因素和參數，如材料的硬 度不均勻、刀具磨損、刀刃積屑瘤、受力變形等將使切削過程不能處於最 佳狀態。為了保證生產安全和避免加工故障，編程人員往往按照最壞的極 端情況(實際很少發生)選取保守不變的加工參數，而數控系統是按照特 定的指令來進行加工的，這樣就影響到了數控加工的效率。而如果在切削 過程中，能根據隨時變化的實際切削條件及時修正切削用量，就有可能獲
得最好的加工效果。工具機的自適應控制就是為解決這一問題而在20世紀60 年代出現的一種數控工具機控制技術。
在自適應控制中，系統實時檢測各種加工狀態參數，比如切削力、刀 具磨損、切削溫度等，根據實時工況的改變而自動選擇合適的加工參數。 這大大提高了數控裝備的加工速度和精度。切削力作為判斷切削加工過程狀態的主要指標之一，通過對切削力的 檢測，能了解切削狀態、工具機運行狀況、判斷切削用量是否合理，避免因 零件材質和毛坯加工餘量不均勻造成刀具磨損、工件報廢、工具機損壞等事 故，提高生產效率，降低生產成本，因此，在數控加工過程中對切削力進 行實時檢測是十分必要的。在實際生產過程中，直接檢測切削負荷的大小 存在很大困難，而由於電機電流與切削負荷存在一定對應關係，可以通過 檢測電機電流來間接達到檢測切削力大小的目的。因此，標定工具機電機電 流和切削負荷之間的關係就成為自適應控制的重要研究內容。
目前，生產中主要通過實物試切來標定電機電流和切削負荷的關係。 研究人員根據加工經驗對材料進行切削，通過不斷調整切削參數，來得到 兩者間的對應關係。這種標定工具機電機電流和切削負荷之間關係的方法靈 活性和適應性比較差，而且人力物力消耗比較大。

發明內容
本發明的目的在於提供一種數控工具機電機電流與切削負荷關係標定裝 置，該裝置可以方便地標定數控工具機進給電機與切削抗力以及主軸電機與 切削扭矩的關係。
本發明提供的數控工具機電機電流與切削負荷關係標定裝置，其特徵在 於它包括磁流變旋轉阻尼器、支架箱蓋、支架箱體、阻尼器控制器、標 定處理器、數據採集卡、霍爾電流傳感器和和標定組件；
支架箱蓋固定在支架箱體上，磁流變旋轉阻尼器固定在支架箱蓋上，
標定組件與磁流變旋轉阻尼器的伸出軸連接；阻尼器控制器與磁流變旋轉 阻尼器相連，阻尼器控制器和霍爾電流傳感器均通過數據採集卡與標定處 理器相連；
標定組件包括抗力標定組件和扭矩標定組件；
抗力標定組件包括模擬刀具、齒條、齒輪和滑塊；在進給電機電流-切 削抗力關係標定時，模擬刀具與工具機主軸刀柄相連，齒輪安裝在磁流變旋轉阻尼器的伸出軸端，滑塊固定在支架箱蓋上，齒條安裝在滑塊上；
扭矩標定組件包括上半聯軸器和下半聯軸器，在主軸電機電流-切削扭 矩關係標定時，上半聯軸器與工具機主軸相連，下半聯軸器安裝在磁流變旋 轉阻尼器的伸出軸端，上半聯軸器安裝在下半聯軸器上；
霍爾電流傳感器採集電機電流信號，通過數據採集卡提供給標定處理 器；標定處理器對採集電機的電流信號進行處理，根據採集的電機電流有 效值的大小提供阻尼器控制器的輸出電流大小的控制信號。
在實際切削過程中，由於測力儀體積較大，安裝不便，在工作檯上安 裝測力儀實時檢測切削負荷並通過反饋用於恆負荷控制的方法幾乎不可能 實現。而由於工具機切削負荷與工具機電機電流大小存在一定的關係，所以可 以考慮實時檢測電機電流大小來判定切削負荷的大小，實現基於恆負荷的 自適應控制。但是基於電機電流的恆負荷自適應控制需要事先得知電機電 流與切削負荷的關係，本發明的作用就是用於工具機電機電流和切削負荷關 系的標定。
本發明在使用時，首先標定自身控制參量(即磁流變阻尼器控制電壓 和工具機速度)和輸出參量(即模擬切削負荷)之間關係，建立自身關係數 據庫，再通過設定不同控制參量，査找自身關係資料庫得知提供的模擬切 削負荷的大小，並採用霍爾電流傳感器監測進給伺服電機電流變化，標定 出工具機切削負荷和電機電流的關係，並建立工具機電機電流-切削負荷關係數 據庫，從而間接實現加工過程中的切削負荷與電機電流關係的標定，為通 過控制進給電機電流實現切削力的恆定控制提供條件。總之，本發明裝置 結構緊湊，精度高，響應快，使用方便，適合於在生產車間條件下用來進 行切削負荷的標定，是一種普及型的標定工具。


圖1為本發明用於標定進給電機電流一切削抗力關係時自身標定原理圖(工作方式標定時去除測力儀)原理圖2為本發明用於標定主軸電機電流一切削扭矩關係時自身標定原理 圖(工作方式標定時去除測力儀)原理圖3為本發明用於進給電機電流一進給抗力關係標定時機械結構示意
圖4為本發明用於主軸電機電流一切削扭矩關係標定時機械結構示意
圖5為本發明用於主軸電機電流一切削扭矩標定時的下半聯軸器； 圖6為本發明用於主軸電機電流一切削扭矩標定時的上半聯軸器； 圖7為本發明裝置自身標定原理示意圖； 圖8為本發明裝置工作方式標定示意圖； 圖9為本發明裝置標定處理器的工作流程圖。
具體實施例方式
本發明是一種基於磁流變原理的數控工具機電機電流和切削負荷關係標 定裝置，用於工具機進給電機電流一切削抗力關係以及主軸電機電流一切削 扭矩關係標定，下面結合附圖對各部分作詳細說明。
如圖l， 2， 3， 4所示，本發明提出的工具機電機電流-切削負荷關係標定 裝置包括磁流變旋轉阻尼器3、支架箱蓋6、支架箱體7、阻尼器控制器10、 標定處理器11、數據採集卡12、霍爾電流傳感器13和標定組件。磁流變 旋轉阻尼器3通過螺釘固定在支架箱蓋6上，支架箱蓋6通過螺釘固定在 支架箱體7上，標定組件與阻尼器3的伸出軸端連接。阻尼器控制器10與 磁流變旋轉阻尼器3相連，阻尼器控制器10和霍爾電流傳感器13均通過 數據採集卡12與標定處理器11相連。霍爾電流傳感器13與待標定的數控 工具機電機的電源線相連，用於測量進給電機電流I的大小。霍爾電流傳感器 13採集電機電流信號，通過數據採集卡12提供給標定處理器11。標定處 理器11對採集電機的電流信號進行處理，並提供阻尼器控制器10的輸出電流大小的控制信號。
標定組件包括抗力標定組件和扭矩標定組件。
抗力標定組件用於進給電機電流一切削抗力關係標定，它包括模擬刀
具l、齒條2、齒輪4和滑塊5。齒輪4安裝在阻尼器3的伸出軸端，滑塊 5固定在支架箱蓋6上，齒條2安裝在滑塊5上，在標定時齒條2通過模擬 刀具l與工具機主軸刀柄相連。
扭矩標定組件用於主軸電機電流一切削扭矩關係標定時，它包括上半 聯軸器8和下半聯軸器9。下半聯軸器9安裝在阻尼器3的伸出軸端，上半 聯軸器8安裝在下半聯軸器9上。在標定時通過上半聯軸器8與工具機主軸 相連。
測力儀14作為裝置自身標定時的測量工具。在自身標定時，支架箱體 7通過螺栓與測力儀14固連，測力儀14則通過螺栓與工具機工作檯固連；在 工作方式標定時，支架箱體直接與工作檯固連。
給阻尼器控制器10輸入一定的控制電壓時，阻尼器控制器10輸出一 定大小的電流到阻尼器3的線圈中，線圈通電產生一定強度的磁場使阻尼 器中的磁流變液體由於磁流變效應而具有一定的剪切屈服強度。在用於進 給電機電流一切削抗力關係標定時，工作檯的進給運動帶動磁流變旋轉阻 尼器3運動，主軸相對工作檯作直線運動，通過齒輪4和齒條2的嚙合作 用，帶動磁流變旋轉阻尼器的軸轉動。磁流變旋轉阻尼器3的軸與殼體發 生相對運動而剪切具有一定剪切屈服強度的磁流變液體，從而形成阻力， 實現對工具機工作檯進給運動的加載。
在用於主軸電機電流一切削扭矩關係標定時，工具機主軸以某一轉速轉 動，主軸轉動通過聯軸器8、 9帶動磁流變旋轉阻尼器3的軸旋轉，實現對 工具機主軸轉動的加載。
標定處理器11經數據採集卡12輸出控制信號，並輸入阻尼器控制器 10中，阻尼器控制器10輸出與控制信號大小相對應的電流到阻尼器3的線 圈中，不同的電流產生的磁場強度不一樣，故導致的磁流變液體的剪切屈服強度也不一樣，從而達到調節可以提供的模擬負荷大小的目的。
如圖1， 2， 7所示，標定裝置組裝完成後，首先要進行自身標定，即 進行控制電壓U、工具機進給速度V (主軸轉速N)與可輸出的進給抗力F(模 擬切削扭矩T)關係的標定。由數控工具機給定進給速度V (主軸轉速N)，標 定處理器11經數據採集卡12的模擬輸出通道輸出控制電壓U;採用測力 儀14測量進給抗力F(模擬切削扭矩T)的大小，並用數據採集卡12進行數 據採集，將採得的數據經標定處理器11進行一系列處理後與輸出的控制電 壓U、進給速度V (主軸轉速N) —起存入自身關係資料庫，達到標定本 裝置控制參量控制電壓U、進給速度V(主軸轉速N)與輸出參量進給抗力F (切削扭矩T)關係的目的。在自身標定完成之後，控制參量與輸出參量關 係數據庫(即自身關係資料庫)與標定裝置配套，用於無測力儀場合時作 為工作方式標定使用。
在工作方式標定，即進行工具機電機電流一切削負荷關係標定時，將標 定裝置的支架箱體7直接安裝在工具機工作檯上。進行進給電機電流一進給 抗力標定時，通過模擬刀具1與工具機主軸相連。進行切削扭矩一主軸電機 電流標定時，通過上半聯軸器8與工具機主軸相連。數控工具機給定不同的進 給速度V(主軸轉速N)，由於標定裝置本身已經過標定，則可根據標定處 理器11輸出的控制電壓U和工具機給定的進給速度V (主軸轉速N)査自身 關係資料庫得知可輸出的進給抗力F (模擬切削扭矩T)的大小。同時，霍 爾電流傳感器13測量進給伺服電機(主軸電機)電流I的大小，經標定處 理器11進行一系列處理後存入電機電流一切削負荷關係資料庫，從而標定 出工具機進給伺服電機(主軸電機)電流I與進給抗力F (切削扭矩T)的關 系。
如圖9標定處理器數據處理流程圖所示。自身標定時，給定控制電壓 和進給速度(主軸轉速)，數據採集卡採集測力儀測量的力(扭矩)信號， 然後截取其有效數據段進行分析，求取力(扭矩)信號均值並與此時給定 的控制電壓、進給速度(主軸轉速)相對應存入自身關係資料庫，從而標 定出裝置控制參量(控制電壓、進給速度或主軸轉速)與輸出參量(進給抗力或模擬切削扭矩)的關係；工作方式標定是進行進給伺服電機(主軸電機)
與進給抗力(切削扭矩)關係的標定，通過設定控制電壓和進給速度(主 軸轉速)通過查詢自身關係資料庫可以得知可輸出的模擬進給抗力(切削 扭矩)大小。數據採集卡採集霍爾傳感器測得的進給伺服電機(主軸電機) 電流信號，然後截取其有效數據段進行分析，經數字濾波和三相疊加後， 再轉化為等效的直流電流值與已知的進給抗力(切削扭矩)值對應存入電 流一負荷關係資料庫。通過改變控制電壓或進給速度(主軸轉速)來改變
進給抗力(切削扭矩)大小進行負荷模擬系統響應滯後分析；對測得的進 給伺服電機(主軸電機)電流信號進行時頻域分析觀測信號變化趨勢；曲 線擬合可擬合出各輸入量(控制電壓、進給速度或主軸轉速)與輸出量(模擬 進給抗力或切削扭矩、進給伺服電機電流或主軸電機電流等)之間的關係。
進給電機電流-進給抗力關係標定儀根據滑塊5在支架箱蓋6上安裝方 向不同可以分別實現對X、 Y方向的標定；對箱體結構進行適當變化也可 以實現Z向進給電機電流-進給抗力關係的標定。
該標定裝置有配套的標定處理器在對裝置本身和對工具機進行標定時使 用，其主要由計算機和相關軟體組成，完成對測得的數據進行分析、處理、 存儲、曲線擬合計算和資料庫管理、輸出控制信號等相關功能。
權利要求
1、一種數控工具機電機電流與切削負荷關係標定裝置，其特徵在於它包括磁流變旋轉阻尼器(3)、支架箱蓋(6)、支架箱體(7)、阻尼器控制器(10)、標定處理器(11)、數據採集卡(12)、霍爾電流傳感器(13)和和標定組件；支架箱蓋(6)固定在支架箱體(7)上，磁流變旋轉阻尼器(3)固定在支架箱蓋(6)上，標定組件與磁流變旋轉阻尼器(3)的伸出軸連接；阻尼器控制器(10)與磁流變旋轉阻尼器(3)相連，阻尼器控制器(10)和霍爾電流傳感器(13)均通過數據採集卡(12)與標定處理器(11)相連；標定組件包括抗力標定組件和扭矩標定組件；抗力標定組件包括模擬刀具(1)、齒條(2)、齒輪(4)和滑塊(5)；在進給電機電流-切削抗力關係標定時，模擬刀具(1)與工具機主軸刀柄相連，齒輪(4)安裝在磁流變旋轉阻尼器(3)的伸出軸端，滑塊(5)固定在支架箱蓋(6)上，齒條(2)安裝在滑塊(5)上；扭矩標定組件包括上半聯軸器(8)和下半聯軸器(9)，在主軸電機電流-切削扭矩關係標定時，上半聯軸器(8)與工具機主軸相連，下半聯軸器(9)安裝在磁流變旋轉阻尼器(3)的伸出軸端，上半聯軸器(8)安裝在下半聯軸器(9)上；霍爾電流傳感器(13)採集電機電流信號，通過數據採集卡(12)提供給標定處理器(11)；標定處理器(11)對採集電機的電流信號進行處理，根據採集的電機電流有效值的大小提供阻尼器控制器(10)的輸出電流大小的控制信號。
全文摘要
本發明公開了一種數控工具機電機電流—切削負荷關係標定裝置，它包括磁流變旋轉阻尼器、磁流變阻尼器控制器、數據採集卡、標定處理器、霍爾傳感器、聯軸器、模擬刀具、滑塊、齒條、支架。磁流變阻尼器通過齒輪、齒條、模擬刀具或者聯軸器與工具機主軸相連，工具機主運動或進給運動轉化為磁流變阻尼器軸的轉動。根據不同控制參量得到模擬切削負荷大小，實時檢測電流數據送入標定處理器進行記錄和處理，實現工具機電機電流和切削負荷之間的關係的標定。本裝置廣泛適用於在生產車間條件下進行數控工具機的標定，響應速度極快，精度高，環境適應性強，噪聲小，無汙染。
文檔編號B23Q17/09GK101434045SQ20081023668
公開日2009年5月20日 申請日期2008年12月5日 優先權日2008年12月5日
發明者劉紅奇, 唐小琦, 偉 孫, 斌 李, 毛新勇, 蔣克強, 陳吉紅 申請人:華中科技大學;武漢華中數控股份有限公司