基于数控机床主轴和伺服轴功率的切削力系数辨识方法
【专利摘要】本发明基于数控机床主轴和伺服轴功率的切削力系数辨识方法，通过布置在机床主轴电机、伺服进给轴电机上的电流传感器和电压传感器获得相应的电流和电压数据，并进一步计算得到电机功率，通过线性拟合得到表达式函数，进而得到各轴的切削力系数，方法更加便捷。适用于数控车床切削加工应用领域，利用功率测试取代切削力测试，无需测力仪等高规格高价值测量系统。所使用的测量装置主要包含电流传感器、电压传感器及单块数据采集卡组成，全套装置可灵活搭建，并且价格低廉。
【专利说明】
基于数控机床主轴和伺服轴功率的切削力系数辨识方法
技术领域：
[0001] 本发明涉及金属切削加工技术领域，具体涉及基于数控机床主轴和伺服轴功率的 切削力系数辨识方法。
【背景技术】：
[0002] 切削力系数是评估切削力的重要参数，切削力系数用来表示切削加工中刀具去除 单位面积材料所需的切削力，与被切削材料、刀具、甚至机床等有关。可用来表征材料的可 切削性、刀具的切削性能、以及机床的刚度等性能。通常用来作为经验公式、数据手册或数 据库来查找，从而方便工艺人员校核刀具或机床的强度，确定去除材料所需要消耗的能量， 或用来作为预测切削工艺系统切削颤振的输入条件。
[0003] 切削力系数的获取方法主要分为两种：一种方法是通过实验确定切削力系数，基 于实验数据进行回归统计建立切削力数学模型；另外一种方法是依据刀具几何模型计算切 削力系数，通过不同工艺参数的切削试验或有限元分析，利用工件、刀具与切削力关系获得 切削力系数。加拿大UBC大学的Altintas、美国佛罗里达大学的Smith等人是通过测量出在 各种每齿进给量下的切削力，并对数据进行线性回归，进而获得铣削力系数。目前，在切削 力系数的研究方面，多数都是应用Altintas等人的基础理论来进行切削力系数的辨识。但 也有一些学者进行了若干不同角度的探索，如云南农业大学工程技术学院赵昌林通过对切 削状态误差复印的测定及对工艺系统刚度的测定或计算，可计算出径向切削力系数。南京 工程学院侯军明等人在对薄壁零件加工过程中的受力以及弹性变形进行分析的基础上，建 立基于加工零件表面误差求解切削力系数的理论模型。田凤杰等人建立了包含切削速度、 切削深度和每齿进给量为主要加工参数的切削力系数函数，采用二次多项式表示铣削力系 数模型。
[0004] 上述切削力系数的计算方法中，都是直接利用测试切削力或解析方法计算切削力 并进一步辨识得出切削力系数。但是，都是需要专用的测力仪，价格较高昂；对于车削加工， 测力仪主体悬于刀架或刀塔外侧，降低了刀具系统刚度，容易发生颤振，对于加工会产生不 利影响，同时，发生颤振的切削力数据不容易辨识。另外，降低了刚度的刀具系统切削获得 的切削力较实际值偏大。测力仪安装调试较复杂，若某些机床伺服驱动系统可读取功率、电 流或扭矩等数据，则可实现无外接传感器的测试辨识，方法更便捷。
【发明内容】
：
[0005] 本发明的目的是提供一种利用功率测试取代切削力测试的基于数控机床主轴和 伺服轴功率的切削力系数辨识方法。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0007] 本发明提供的基于数控机床主轴和伺服轴功率的切削力系数辨识方法，包括以下 步骤：
[0008] 步骤一:在数控机床上布置测试传感器，并在对应切削时应用主轴转速的空运转、 对应切削时Z轴进给速度下的Z轴空运转、X轴无载荷的静态测试下，记录主轴、Z轴、X轴电机 的三相电流和电压信号，并获得主轴和Z轴的空载功率Po、PzQ和X轴空载电流1x0;
[0009] 步骤二:在一定切削参数下，进行变切深切削试验，记录主轴、Z轴、X轴电机的三相 电流和电压信号，进而获得主轴和Z轴的功率数据p s、pz和X轴电流Ix;
[0010] 步骤三:根据步骤二得到的功率数据，绘制出主轴和Z轴电机的功率与对应切削参 数下的材料去除率之间的关系曲线，并通过线性拟合得到表达式函数，提取主轴电机对应 的斜率k和截距a，以及Z轴电机对应的k z和az;
[0011] 步骤四：通过步骤一得到的主轴空运转时的空载功率Po及步骤三得到的主轴电机 对应的斜率k和截距a，进而得到主轴的切削力系数；
[0012] 步骤五:通过步骤一得到的Z轴空运转时的空载功率PzQ及步骤三得到的Z轴电机对 应的kz和a z，进而得到Z轴的切削力系数；
[0 013 ]步骤六：通过步骤一得到的X轴空载电流I x Q，得到X轴无切削载荷时的空载扭矩 Tx〇，并通过步骤二记录的X轴电机的电流Ix，绘制X轴电机的电流与对应切削深度的关系曲 线，并通过线性拟合得到表达式函数，进而得到X轴切削力系数。
[0014] 在步骤一中，所述测试传感器为电流传感器和电压传感器，将电流传感器分别接 于被测电机的三相输入端，将电缆由电流传感器中间通孔穿过，将电压传感器通过电线和 接线端子与电机输入端相连，并将输出信号线接出，将电流传感器和电压传感器的输出端 接于数据采集卡上或通过接线端子转接，然后对电流和电压信号进行采集。
[0015] 所述电流传感器为霍尔电流传感器。
[0016] 所述电压传感器为交流电压变送器。
[0017] 在步骤三中，绘制主轴和Z轴的功率与对应切削参数下的材料去除率之间的关系 曲线之前，将每个切削深度下的下的主轴、Z轴的功率数据进行处理，具体来说，是在同一切 削深度时，提取多个功率数据值，并对提取的多个值求取平均值，并用所述平均值绘制关系 曲线。
[0018] 在步骤四中，根据下面的公式计算得到主轴的切削力系数，即切向切削力系数和 切向刃口力系数：
[0020] 式中Ktc表示切向切削力系数，Kte表示切向刃口力系数，k为斜率，a为截距，Po为主 轴的空载功率，cU为工件毛坯的外圆直径，d 2为工件已加工表面的内圆直径，ns为主轴转速， fr为每转进给量。
[0021] 在步骤五中，根据下面的公式计算得到Z轴的切削力系数，即轴向切削力系数和轴 向刃口力系数：
[0023]式中Kac表示轴向切削力系数，Kae表示轴向刃口力系数，nz为z轴进给丝杠的正效 率，iz为Z轴电机到丝杠的传动比，kz为斜率，az为截距，P zQ为Z轴的空载功率，D为工件中径， 艮00=((^+(12)/2,?为主轴转速，μ为导向件的综合摩擦系数，Μ为丝杠驱动部件的重量，g为 重力加速度，1为丝杠导程，n z为Z轴转速，fr为每转进给量。
[0024]在步骤六中，根据下面的公式计算得到X轴的切削力系数，即法向切削力系数和法 向刃口力系数：
[0026]式中Knc表示法向切削力系数，Kne表示法向刃口力系数，nx为X轴进给丝杠的正效 率，ix为X轴电机到丝杠的传动比，C为电机常数，Φ为电机磁通量，d为转动直径，Ix为X轴电 机电流，a P为切削深度，1为丝杠导程，fr为每转进给量，TxQ为X轴的空载扭矩。
[0027] 本发明基于数控机床主轴和伺服轴功率的切削力系数辨识方法的有益效果:适用 于数控车床切削加工应用领域，利用功率测试取代切削力测试，无需测力仪等高规格高价 值测量系统，所使用的测量装置主要包含电流传感器、电压传感器及单块数据采集卡组成， 全套装置可灵活搭建，并且价格低廉，通过设置的传感器读取相应数据，并通过线性拟合得 到表达式函数，进而得到各轴的切削力系数，方法更加便捷。
【附图说明】：
[0028] 图1为主轴电机的功率数据值与对应切削参数下的材料去除率之间的关系曲线；
[0029] 图2为Z轴电机的功率数据值与对应切削参数下的材料去除率之间的关系曲线；
[0030] 图3为X轴电机的电流与对应切削深度的关系曲线。
【具体实施方式】：
[0031] 下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0032] 本发明基于数控机床主轴和伺服轴功率的切削力系数辨识方法，包括以下步骤：
[0033] 步骤一：在数控机床上布置测试传感器，所述测试传感器为电流传感器和电压传 感器，具体地说，是将电流传感器分别接于被测电机的三相输入端，将电缆由电流传感器中 间通孔穿过，将电压传感器通过电线和接线端子与电机输入端相连，并将输出信号线接出， 将电流传感器和电压传感器的输出端接于数据采集卡上或通过接线端子转接，然后对电流 和电压信号进行采集，在本实施例中，所使用的数控车床上主要有主轴驱动电机、X和Z两个 伺服轴驱动电机，因此，所述电流传感器数量为9个、电压传感器9个，且对应的数据采集卡 需要至少提供18个接线端子接口，在其他实施例中，则可以根据被测电机的实际数量进行 扩展，且在本实施例中，采用的电流传感器为霍尔电流传感器，电压传感器为交流电压变送 器；
[0034] 在对应切削时应用主轴转速的空运转、对应切削时Z轴进给速度下的Z轴空运转、X 轴无载荷的静态测试下，通过电流传感器和电压传感器得到主轴、Z轴、X轴电机的三相电流 和电压信号，并记录下来，然后，由Ρ=υι，计算得到主轴和Z轴的空载功率p〇、pzQ，并通过电 流传感器得到X轴空载电流1x0。
[0035] 步骤二:保证数控车床正常运转，对工件进行切削的条件下，不改变其他的切削参 数，调整不同的切削深度，进行变切深切削试验，通过电流传感器和电压传感器得到不同切 削深度下主轴、Z轴、X轴电机的三相电流和电压信号，并记录下来，
，进而获 得主轴和Z轴的有功功率数据PS、P4PX轴电流Ix。
[0036] 步骤三:将步骤二中得到的不同切削深度下的主轴、Z轴的功率数据进行处理，具 体来说，是在同一切削深度时，提取多个功率数据值，并对提取的多个功率数据值求取平均 值，用所述平均值绘制主轴和Z轴电机的功率数据值与对应切削参数下的材料去除率之间 的关系曲线，如图1和图2所示，并通过线性拟合得到表达式函数，进而提取得到主轴电机对 应的斜率k和截距a，以及Z轴电机对应的斜率k z和截距az，即得到下面的式(1)和式(2):
[0037] Ps = kMRR+a (1)
[0038] Pz = kzMRR+az (2)
[0039] 式中，
[0040] ps--主轴功率，
[0041] pz--为主轴功率，
[0042] MRR--材料去除率。
[0046] di--工件毛坯的外圆直径，
[0047] d2--工件已加工表面的内圆直径，
[0048] ns--主轴转速，
[0049] aP 切削深度，
[0050] fr--每转进给量。
[0051] 步骤四：通过步骤一得到的主轴空运转时的空载功率P〇及步骤三得到的主轴电机 对应的斜率k和截距a，进而得到主轴的切削力系数，具体计算过程如下式(3):
[0053]式中，
[0054] Pm--主轴电机功率，
[0055] p〇--主轴的空载功率，
[0056] Ktc 切向切削力系数，
[0057] Kte 切向刃口力系数。
[0058]将式（1)带入式(4)中进行计算，得到主轴的切削力系数，即切向切削力系数和切 向刃口力系数，如下式(5):
[0060]步骤五:通过步骤一得到的Z轴空运转时的空载功率PzQ及步骤三得到的Z轴电机对 应的k4Paz，进而得到Z轴的切削力系数，具体计算过程如下：
[0061 ]在对外圆进行切削加工时，Z轴匀速运行，Z轴的轴向扭矩如下式(6)
[0062] Ta=(Fz+yMg)l/(23inziz) (6)
[0063] 式中，
[0064] Ta--Z轴的轴向扭矩，
[0065] Fz--丝杠的轴向切削力，
[0066] μ一一导向件的综合摩擦系数，
[0067] Μ--丝杜驱动部件的重量，
[0068] g一一重力加速度，
[0069] 1--丝杠导程，
[0070] nz--Z轴进给丝杠的正效率，
[0071] iz--Z轴电机到丝杠的传动比。
[0072] 同时，Z轴的轴向扭矩与Z轴驱动电机功率还存在如下关系式(7)
[0073] Ta = 9549(Pz-Pz〇)/nz = 60000(Pz-Pz〇)/23inz (7)
[0074] 将式(2)、式(3)及式(6)带入式(7)中进行计算，导出Fz的表达式：
[0075]
[0076]进一步得到Z轴的切削力系数，即轴向切削力系数和轴向刃口力系数：
[0077]
[0078] 式中，
[0079] Kac--轴向切削力系数，
[0080] Kae--轴向刃口力系数，
[0081 ] Pz〇--Z轴的空载功率，
[0082] nz--Z 轴转速。
[0083] 步骤六：通过步骤一得到的X轴空载电流I x 〇，得到X轴无切削载荷时的空载扭矩 Tx0，并通过步骤二记录的X轴电机的电流Ix，绘制X轴电机的电流与对应切削深度的关系曲 线，并通过线性拟合得到表达式函数，如图3所示，进而提取得到主轴电机对应的斜率k Ix和 截距aIx，即得到下式：
[0084] Ix=kix*ap+aix (10)
[0085] 则：Ix/aP=kix+aix/aP
[0086] 而在具体试验中可知，aP远大于aIx，因此，近于零，则Ix/^近似等于kIx。 [0087]在对外圆进行车削的过程中，刀具一般保持位置不变，即X轴驱动电机不转动，则 电机转矩Μ可表示为磁通与电枢电流、转矩系数、转子直径的乘积，与电流成正比，如下式：
[0088] M = CX Φ XIxXd = Fxl/(23inxix)+Tx〇 (11)
[0089] 式中，
[0090] Μ--电机转矩，
[0091] C一一电机常数，
[0092] Φ一一电机磁通量，正常工作时为常数，
[0093] d--转动半径，
[0094] Fx--X轴切削力，
[0095] %-一X轴进给丝杠的正效率，一般=0.94，
[0096] ix--X轴电机到丝杠的传动比，
[0097] 且由上式可知，当直径d为常数时，X轴切削力Fx与电流Ix成正比，所以：
[0098]
[0099] 式中，
[0100] Knc 法向切削力系数，
[0101] Kne 法向刃口力系数，
[0102] 进一步得到X轴的切削力系数，即法向切削力系数和法向刃口力系数，具体计算公 式如下：
[0103]
[0104] 且在X轴无切削载荷时，Fx = 0,则空载扭矩可由下式计算
[0105] Τχ〇 = ΟΦΙχ〇(1 (14)
[0106] 即由上述各式可计算得到X轴的切削力系数。
[0107] 最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽 管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解:依然可 以对本发明的【具体实施方式】进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修 改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。
【主权项】
1. 基于数控机床主轴和伺服轴功率的切削力系数辨识方法，其特征在于，包括W下步 骤： 步骤一:在数控机床上布置测试传感器，并在对应切削时应用主轴转速的空运转、对应 切削时Z轴进给速度下的Z轴空运转、X轴无载荷的静态测试下，记录主轴、Z轴、X轴电机的Ξ 相电流和电压信号，并获得主轴和Z轴的空载功率Po、Pz〇和X轴空载电流1x0; 步骤二:在一定切削参数下，进行变切深切削试验，记录主轴、Z轴、X轴电机的Ξ相电流 和电压信号，进而获得主轴和Z轴的功率数据Ps、Pz和X轴电流Ix; 步骤Ξ:根据步骤二得到的功率数据，绘制出主轴和Z轴电机的功率与对应切削参数下 的材料去除率之间的关系曲线，并通过线性拟合得到表达式函数，提取主轴电机对应的斜 率k和截距a，W及Z轴电机对应的kz和az; 步骤四：通过步骤一得到的主轴空运转时的空载功率Po及步骤Ξ得到的主轴电机对应 的斜率k和截距a,进而得到主轴的切削力系数； 步骤五:通过步骤一得到的Z轴空运转时的空载功率Pzo及步骤Ξ得到的Z轴电机对应的 kz和az，进而得到Z轴的切削力系数； 步骤六:通过步骤一得到的X轴空载电流1x0,得到X轴无切削载荷时的空载扭矩Τχο,并通 过步骤二记录的X轴电机的电流Ιχ，绘制X轴电机的电流与对应切削深度的关系曲线，并通 过线性拟合得到表达式函数，进而得到X轴切削力系数。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于:在步骤一中，所述测试传感器为电流传感 器和电压传感器，将电流传感器分别接于被测电机的Ξ相输入端，将电缆由电流传感器中 间通孔穿过，将电压传感器通过电线和接线端子与电机输入端相连，并将输出信号线接出， 将电流传感器和电压传感器的输出端接于数据采集卡上或通过接线端子转接，然后对电流 和电压信号进行采集。3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于:所述电流传感器为霍尔电流传感器;所述 电压传感器为交流电压变送器。4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于:在步骤Ξ中，绘制主轴和Ζ轴的功率与对应 切削参数下的材料去除率之间的关系曲线之前，将每个切削深度下的下的主轴、Ζ轴的功率 数据进行处理，具体来说，是在同一切削深度时，提取多个功率数据值，并对提取的多个值 求取平均值，并用所述平均值绘制关系曲线。5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于:在步骤四中，根据下面的公式计算得到主 轴的切削力系数，即切向切削力系数和切向刃口力系数：式中Ktc表示切向切削力系数，Kte表示切向刃口力系数，k为斜率，a为截距，Ρο为主轴的 空载功率，山为工件毛巧的外圆直径，cb为工件已加工表面的内圆直径，ns为主轴转速，fr为 每转进给量。6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于:在步骤五中，根据下面的公式计算得到Z轴 的切削力系数，即轴向切削力系数和轴向刃口力系数：式中Kac表示轴向切削力系数，Kae表示轴向刃口力系数，riz为Z轴进给丝杠的正效率，iz 为巧由电机到丝杠的传动比，kz为斜率，az为截距，Pzo为巧由的空载功率，D为工件中径，即D = (di+d2)/2，ns为主轴转速，μ为导向件的综合摩擦系数，Μ为丝杠驱动部件的重量，g为重力加 速度，1为丝杠导程，nz为巧由转速，片为每转进给量。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:在步骤六中，根据下面的公式计算得到X轴 的切削力系数，即法向切削力系数和法向刃口力系数：式中Knc表示法向切削力系数，Kne表示法向刃口力系数，屯为X轴进给丝杠的正效率，ix 为X轴电机到丝杠的传动比，C为电机常数，Φ为电机磁通量，d为转动直径，IX为X轴电机电 流，ap为切削深度，1为丝杠导程，片为每转进给量，Τχο为X轴的空载扭矩。
【文档编号】G05B19/408GK106094730SQ201610499348
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月30日
【发明人】仇健, 葛任鹏, 吴玉厚, 张珂, 赵德宏
【申请人】沈阳建筑大学