[发明专利]基于数控机床主轴和伺服轴功率的切削力系数辨识方法

说明书

技术领域：

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：

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。

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。

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：

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。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

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：

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P₀、P_z0和X轴空载电流I_x0；

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、P_z和X轴电流I_x；

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a_z；

步骤四：通过步骤一得到的主轴空运转时的空载功率P₀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；

步骤五：通过步骤一得到的Z轴空运转时的空载功率P_z0及步骤三得到的Z轴电机对应的k_z和a_z，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I_x0，得到X轴无切削载荷时的空载扭矩T_x0，并通过步骤二记录的X轴电机的电流I_x，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。

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。