专利名称：一种数控机床高速进给负荷标定仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及数控机床技术，具体为一种数控机床高速进给负荷标定仪， 它适用于数控加工过程的进给负荷与进给电机电流关系的标定，尤其适用
于机床以5m/min以上速度进给时的标定。
背景技术：
目前，全世界数控机床的拥有量和生产量与日俱增，我国数控机床的 拥有量和进口量均已达世界第二位。与此同时，数控机床价格仍普遍较高， 维修成本高昂，在数控加工过程中为了避免损坏机床，在进行零件加工时 大都采用比较保守的切削用量，将切削力控制在相对较小的状况下进行切 削，降低了数控机床工作效率，增加了加工成本。
切削力作为判断切削加工过程状态的主要指标之一，通过对切削力的 检测，能了解切削状态、机床运行状况、判断切削用量是否合理，避免因 零件材质和毛坯加工余量不均匀造成刀具磨损、工件报废、机床损坏等事 故，尽可能提高生产效率，降低生产成本，因此，在数控加工过程中对切 削力进行实时检测是十分必要的。
加工过程中刀具负荷的变化通过机械传动系统的传递作用，在交流电
机系统的电参量变化中得到体现。其负荷传递有两条路径路径1是负荷 传递到进给伺服系统，转化为进给负荷并在进给电机电流中得到体现的过 程；路径2是负荷传递到主轴电机系统并在主轴电机电流中的得到体现的 过程。
目前，生产中主要通过人工试切，选定切削参数以确定合适的切削力。 在生产中，工人依据加工经验对材料进行试切，记录大量的实验数据来调 整切削参数，以使切削力保持在一个合适的范围。但这样的调整要进行大量的加工前实验，不仅浪费材料，而且切削力只能控制在一个范围内，无 法确定切削力的具体数值。当加工材质、余量不均匀时容易产生切削力大 范围的波动，造成刀具磨损甚至机床损坏。
发明内容
本发明的目的在于提供一种数控机床高速进给负荷标定仪，该标定仪 操作方便，能标定进给伺服电机电流与进给负荷之间关系，为切削力恒定 控制提供了条件，减小了材料耗费、提高了机床使用效率。
本发明提供的数控机床高速进给负荷标定仪，其特征在于它包括油 箱、液压回路块、单向阀、整流板、电液比例调速阀、液控单向阀、液压 马达、齿轮、齿条导轨、主轴刀柄、霍尔电流传感器，放大器，数据采集 卡和标定处理器；
液压马达通过液压回路块中的第一条工作油路与液控单向阀相连，液 压回路块中的第一条工作油路还通过整流板与电液比例调速阀相通；
液压马达通过液压回路块中的第二条工作油路分别与单向阀和液控单 向阀的控制口相连，第二条工作油路还通过整流板与电液比例调速阀相通；
油箱通过液压回路块中的第一补油油路与液控单向阀相连；
油箱通过液压回路块中的第二补油油路与单向阀相连；
液压马达轴通过齿轮、齿条导轨与主轴刀柄相连；
标定处理器依次经过数据采集卡、放大器输出控制信号给电液比例调 速阀；
霍尔电流传感器挂在机床的进给伺服电机的电源线上，其信号输出端 经过数据采集卡与标定处理器相连。
本发明采用一种低成本的方法，首先标定自身控制参量(阀芯开口控 制电压和机床进给速度)和输出参量(进给负荷)之间关系，再通过设定 不同控制参量，并采用霍尔电流传感器监测进给伺服电机电流变化，标定出机床进给负荷和进给饲服电机电流的关系，从而间接实现加工过程中的 切削力与进给伺服电机电流关系的标定，为通过控制进给电机电流实现切 削力的恒定控制提供条件。本发明体积小，重量轻，使用方便，便于拆卸 和携带，适合于在生产车间条件下用来进行切削负荷的标定，是一种普及 型的检测工具。
图1为本发明数控机床高速进给负荷标定仪液压系统的结构示意图； 图2为本发明数控机床高速进给负荷标定仪的原理图； 图3为本发明数控机床高速进给负荷标定仪液压回路块透视图； 图4为本发明数控机床高速进给负荷标定仪自身标定方式示意图； 图5为本发明标定装置工作方式示意图； 图6为本发明标定处理器的工作流程图。
具体实施例方式
本发明适用于高速进给(V〉5m/min)状态时，进给负荷与进给词服电 机电流之间关系的标定。本文中的负荷特指进给抗力负荷。下面结合附图 从几个方面对本发明作进一步详细的说明。
如图l、 2所示，本发明提供的数控机床高速进给负荷标定仪包括油箱 1、液压回路块2、单向阀3、整流板4、电液比例调速阀5、液控单向阀6、 支架7、液压马达8、齿轮9、齿条导轨IO、主轴刀柄ll、霍尔电流传感器 12，放大器13，数据采集卡14和标定处理器15。测力仪16为标定仪自身
标定时需要使用的测力工具。
如图3所示，液压回路块2上开有螺纹孔17，分别用于与单向阀3、 液控单向阀6和整流板4连接。液压回路块2还开有第一、第二工作油路 18、 19以及第一、第二补油油路20、 21。
第一工作油路18的一端与液压马达8通过螺纹相连，分成二条支路后 其中一条支路与液控单向阀6相连，另一条支路通过整流板4后与电液比 例调速阀5相连。第二工作油路19的一端与液压马达8通过螺纹连接，分成三条支路后，其中二条支路分别与单向阀3和液控单向阀6的控制油口
相连，第三条支路通过整流板4后与电液比例调速阀5相连。第一补油油 路20的一端与油箱1相连，另一端与液控单向阀6相连；第二补油油路21 的一端与油箱1相连，另一端与单向阔3相连。液压回路块2通过连接油 箱1、单向阀3、整流板4、电液比例调速阀5、液控单向阀6以及液压马 达8组成液压系统。
本实例以液压回路块2为中心，油箱l置于其左侧，单向阀3、整流板 4和电液比例调速阀5置于其右侧，电液比例调速阀5叠加在整流板4上与 液压回路块2相连，液控单向阀6置于液压回路块2上侧；支架7中间安 装液压马达8;齿轮9固定在液压马达8的轴上，齿条导轨10安装在支架 上端面的支座上，导轨上的齿条可来回滑动。液压马达8上两个油口与液 压回路块2上油口相连，各部件间以螺钉连接并且各部件间油路接口都采 用O型密封圈密封。
液压马达轴通过齿轮9、齿条导轨10与主轴刀柄11相连。液压马达8 顺时针旋转时，油液流入液压回路块2，经第一工作油路18流入整流板4、 电液比例调速阔5，然后从第二工作油路19流回液压马达8，组成工作回 路；油箱1与液压回路块2相连，经第一补油油路20流入液控单向阀6后 流入第一工作油路18，组成一条补油油路；油箱1与液压回路块2相连， 经第二补油油路21流过单向阀3后流入第二工作油路19组成另一条补油 油路。液压马达8逆时针旋转时工作回路油液流向反向。
标定仪通过安装在工作台上的测力仪平台16与机床固连，通过主轴刀 柄11与机床主轴相连。数控机床给定进给速度使工作台作进给运动，此时， 齿条导轨10上齿条带动齿轮9驱动液压马达轴旋转，使液压系统内油液流 动，第一工作油路18为高压端时液控单向阀关闭，油液由第一工作回路18 经过整流板4和电液比例调速阀5流向第二工作回路19，然后流回液压马 达8，如油路有油液泄漏则单向阀开启第二补油油路21对油路补油；工作 台向另一方向作进给时，齿条导轨10上的齿条带动齿轮9驱动液压马达轴 旋转，第二工作油路19为高压端时单向阀关闭，液控单向阀开启，油液由第二工作油路19经过整流板4和电液比例调速阀5流向第一工作油路18， 然后流回液压马达8。
标定处理器15经数据采集卡14输出控制电压，由放大器13功率放大 后控制电液比例调速阀5阀芯开口大小以调整液压马达8两端的压差，达 到调节进给负荷大小的目的。数据采集卡14采集测力仪16测量的力信号 和霍尔电流传感器12测得的进给电机电流信号，经标定处理器15处理后 存入数据库，实现对轴向进给负荷和进给伺服电机电流关系的标定。
如图4所示，标定仪组装完成后，首先需要进行控制电压U、机床进给 速度V与输出进给负载F关系的标定。由数控机床给定进给速度V，标定处 理器15经数据采集卡14的模拟输出通道输出控制电压U;采用测力仪16 测量进给负载F的大小，并用数据采集卡14进行数据采集，将采得的数据 经标定处理器15进行一系列处理后与输出的控制电压U、进给速度V —起 存入标定处理器的数据库，达到标定本仪器控制参量(控制电压U、进给速 度V)与输出参量(进给负荷F)关系的目的。
如图5本发明标定装置工作方式示意图所示，在工业现场应用时，将标 定仪安装在机床工作台上，并通过主轴刀柄与机床主轴相连。数控机床给 定不同的进给速度V使工作台作进给运动，由于标定仪本身已经过标定， 则可根据标定处理器15输出的控制电压U和机床给定的进给速度V知道输 出的进给负荷F的大小。此时，采集霍尔电流传感器12测量进给伺服电机 电流I的大小，经标定处理器15进行一系列处理后存入数据库，从而标定 出机床进给伺服电机电流I与进给负荷F的关系。
如图6标定处理器数据处理流程图所示。自身标定时，给定控制电压 和进给速度，数据采集卡采集测力仪测量的力信号，然后截取其有效数据 段进行分析，求取力信号均值并与此时给定的控制电压、进给速度组成记 录存入数据库，从而标定出装置控制参量(控制电压、进给速度)与输出参 量(进给负荷)的关系；进给伺服电机标定时，通过设定控制电压和进给速 度给定进给负荷，数据采集卡采集霍尔传感器测得的进给伺服电机电流信 号，然后截取其有效数据段进行分析，经数字滤波和三相叠加后，再转化为等效的直流电流值与己知的进给负荷值存入数据库。通过改变控制电压 或进给速度来改变进给负荷大小进行液压系统响应滞后分析；对测得的进 给伺服电机电流信号进行时频域分析观测信号变化趋势；曲线拟合可拟合 出各输入量(控制电压、进给速度、进给负荷等)与输出量(进给负荷、进给 伺服电机电流等)之间的关系。
该标定仪根据支架7在工作台上安装方向不同可以分别实现对X、 Y、 Z 等三个轴向的标定。
该标定仪有配套的标定处理器在对装置本身和对机床进行标定时使 用，能对测得的数据进行分析、处理、存储、曲线拟合计算和数据库管理 等相关功能。
权利要求
1、一种数控机床高速进给负荷标定仪，其特征在于它包括油箱(1)、液压回路块(2)、单向阀(3)、整流板(4)、电液比例调速阀(5)、液控单向阀(6)、液压马达(8)、齿轮(9)、齿条导轨(10)、主轴刀柄(11)、霍尔电流传感器(12)，放大器(13)，数据采集卡(14)和标定处理器(15)；液压马达(8)通过液压回路块(2)中的第一条工作油路与液控单向阀(6)相连，液压回路块(2)中的第一条工作油路还通过整流板(4)与电液比例调速阀(5)相通；液压马达(8)通过液压回路块(2)中的第二条工作油路分别与单向阀(3)和液控单向阀(6)的控制口相连，第二条工作油路还通过整流板(4)与电液比例调速阀(5)相通；油箱(1)通过液压回路块(2)中的第一补油油路与液控单向阀(6)相连；油箱(1)通过液压回路块(2)中的第二补油油路与单向阀(3)相连；液压马达轴通过齿轮(9)、齿条导轨(10)与主轴刀柄(11)相连；标定处理器(15)依次经过数据采集卡(14)、放大器(13)输出控制信号给电液比例调速阀(5)；霍尔电流传感器(12)挂在机床的进给伺服电机的电源线上，其信号输出端经过数据采集卡(14)与标定处理器(15)相连。
全文摘要
本发明公开了一种数控机床高速进给负荷标定仪，包括油箱、液压回路块、单向阀、整流板、电液比例调速阀、液控单向阀、液压马达、齿轮、齿条导轨、主轴刀柄、霍尔电流传感器，放大器，数据采集卡和标定处理器。进行标定时，液压马达、液压回路块与阀组构成液压系统，通过齿轮、齿条的啮合运动将液压马达与主轴相连，将高速的进给运动转化为齿轮的旋转运动；本发明实现了装置的控制和标定数据采集、分析，实现轴向进给负荷与进给电机电流关系的标定。本装置生产成本低廉，广泛适用于在生产车间条件下进行数控机床的标定，是一种普及型的标定仪器。
文档编号B23Q17/00GK101318300SQ20081004824
公开日2008年12月10日 申请日期2008年7月1日 优先权日2008年7月1日
发明者刘红奇, 唐小琦, 伟 孙, 斌 李, 毛新勇, 蒋克强, 陈吉红 申请人:华中科技大学