数控铣床加工过程中净去除材料比能在线检测方法

摘要

本发明提供一种数控铣床加工过程中净去除材料比能在线检测方法，采用以下步骤：1）数控铣床加工前常量功率检测，2）数控铣床加工中净去除材料比能检测、计算，步骤1）中，用功率分析仪在数控铣床电源进线端测得数控铣床待机功率；用功率分析仪分别测得主轴、X、Y、Z轴系统以该轴指令速度空载运动时的空载功率；用功率分析仪测得通切削液时切削液泵驱动电机消耗功率；步骤2）中，根据指定的背吃刀量、进给速度和切削宽度计算材料去除率；在实际加工过程中，用功率分析仪在线从数控铣床电源进线端测得数控铣床总消耗功率，计算出净去除材料消耗功率及净去除材料比能。本发明优点是数控铣床加工过程中净去除材料比能的检测计算简单、准确。

权利要求

1.一种数控铣床加工过程中净去除材料比能在线检测方法，采用以下步骤：1）数控铣床加工前常量功率检测，2）数控铣床加工中净去除材料比能检测、计算，其特征在于：步骤

1）中，数控铣床在开机回参考点后，主轴、各进给轴不运动情况下，用功率分析仪在数控铣床电源进线端测得数控铣床待机功率Pidle；令主轴以指令加工转速空载运动，用功率分析仪测得主轴空载功率Psu；令X轴以指令进给速度空载运动，用功率分析仪测得X轴空载功率Pxu；令Y轴以指令进给速度空载运动，用功率分析仪测得Y轴空载功率Pyu；令Z轴以指令进给速度空载运动，用功率分析仪测得Z轴空载功率Pzu；令切削液泵驱动电机工作，用功率分析仪测得通切削液时切削液泵驱动电机功率Pcool；步骤2）中，根据指定的背吃刀量ap、进给速度F和切削宽度bD计算材料去除率MRR=ap×F×bD/1000；在数控铣床实际加工过程中，在净去除材料比能检测的每个采样周期，用功率分析仪在数控铣床电源进线端测得数控铣床总消耗功率Pmachine；则当采用切削液加工时，净去除材料消耗功率为Pnet=Pmachine-Pidle-Psu-Pxu-Pyu-Pzu-Pcool；当不采用切削液加工时，净去除材料消耗功率为Pnet=Pmachine-Pidle-Psu-Pxu-Pyu-Pzu；则该采样周期数控铣床的净去除材料比能为Unet=Pnet/MRR。

说明书

数控铣床加工过程中净去除材料比能在线检测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种机床净去除材料比能检测方法，特别是涉及一种数控铣床加工过程中净去除材料比能在线检测方法。

背景技术

[0002] 数控铣床包括主轴驱动系统、进给轴驱动系统、液压系统、冷却润滑系统、数控系统、换刀系统等。在铣削加工中这些功能系统都要消耗能量。数控机床功能越多，机械电子器件越复杂，实际加工中耗能就越多。大量的实际加工数据说明，在铣削过程中，非切削操作消耗了绝大部分能量，实际用于切削的能量一般低于机床总消耗能量的30%。因此，如何优化工艺参数以提高有效切削能耗在总消耗能量中所占比例，对低碳制造和精益生产非常重要。

[0003] 工艺参数对加工能耗的影响关系非常复杂。铣削加工中，每个瞬间机床消耗功率由待机功率、空切功率、切削材料功率、冷却液泵功率等组成。仅用于去除材料的有效能耗称为净去除材料能耗。净去除材料比能是指去除单位体积材料时所需要的净去除材料能耗，它能反映净去除材料能耗和材料去除率之间的映射关系，也可以比较不同加工参数工艺方案的能耗特性。

[0004] 对现有的技术文献检索发现，S. Kara等人在学术期刊《CIRP  Annals  - Manufacturing Technology》（2011年第1期：P37-40）上发表的论文“Unit process energy consumption models for material removal processes”中，针对车削、铣削加工建立了以材料去除率为自变量的机床切削比能经验模型；陈俊超等人在《组合机床与自动化加工技术》（2016年第1期：P24-28）上发表的论文“数控机床切削比能建模及其参数影响分析”中，针对一定工艺条件下加工45#钢，根据铣削力的经验公式得到去除材料切削比能指数经验公式，计算较复杂。

[0005] 数控铣床加工中，除了净去除材料能耗，还有待机能耗、空载能耗、通切削液能耗等。综上所述，如何在选定切削参数条件下，尽量简单准确地检测出加工该工件材料的净去除材料比能，对于研究如何优化加工参数以降低能耗具有重要的指导意义，已成为本领域技术人员急需解决的技术问题。

发明内容

[0006] 本发明的目的是提供一种简单、准确的数控铣床加工过程中净去除材料比能在线检测方法。

[0007] 其技术方案为：采用以下步骤：1）数控铣床加工前常量功率检测，2）数控铣床加工中净去除材料比能检测、计算，其特征在于：步骤1）中，数控铣床在开机回参考点后，主轴、各进给轴不运动情况下，用功率分析仪在数控铣床电源进线端测得数控铣床待机功率Pidle；令主轴以指令加工转速空载运动，用功率分析仪测得主轴空载功率Psu；令X轴以指令进给速度空载运动，用功率分析仪测得X轴空载功率Pxu；令Y轴以指令进给速度空载运动，用功率分析仪测得Y轴空载功率Pyu；令Z轴以指令进给速度空载运动，用功率分析仪测得Z轴空载功率Pzu；令切削液泵驱动电机工作，用功率分析仪测得通切削液时切削液泵驱动电机功率Pcool；步骤2）中，根据指定的背吃刀量ap、进给速度F和切削宽度bD计算材料去除率MRR=ap×F×bD/1000；在数控铣床实际加工过程中，在净去除材料比能检测的每个采样周期，用功率分析仪在数控铣床电源进线端测得数控铣床总消耗功率Pmachine；则当采用切削液加工时，净去除材料消耗功率为Pnet=Pmachine-Pidle-Psu-Pxu-Pyu-Pzu-Pcool；当不采用切削液加工时，净去除材料消耗功率为Pnet=Pmachine-Pidle-Psu-Pxu-Pyu-Pzu；则该采样周期数控铣床的净去除材料比能为Unet=Pnet/MRR。

[0008] 本发明与现有方法相比，其优点有：在数控铣床加工过程中，考虑了主轴系统、各进给轴系统的空载功率，以及冷却状况来计算净去除材料功率，结合材料去除率来检测计算净去除材料比能，计算方法更加准确；数控铣床加工过程中，只需测量数控铣床电源进线端总消耗功率，即可检测计算出该切削条件下净去除材料比能，该方法简单、有效。

附图说明

[0009] 图1是本发明的数控铣床加工过程中净去除材料比能在线检测流程图。

[0010] 图2是本发明的数控铣床加工过程中净去除材料比能在线检测系统结构图。

[0011] 图3是采用本发明时数控铣床加工过程中净去除材料比能曲线图。

具体实施方式

[0012] 下面结合图1对本发明做进一步详细描述。

[0013] 步骤1）中，数控铣床在开机回参考点后，在正式切削加工前，主轴、各进给轴不运动情况下，用功率分析仪在数控铣床电源进线端测得数控铣床待机功率Pidle；针对选定的切削参数，令主轴以指令加工转速空载运动，用功率分析仪测得主轴空载功率Psu；令X轴以指令进给速度空载运动，用功率分析仪测得X轴空载功率Pxu；令Y轴以指令进给速度空载运动，用功率分析仪测得Y轴空载功率Pyu；令Z轴以指令进给速度空载运动，用功率分析仪测得Z轴空载功率Pzu；令切削液泵驱动电机工作，用功率分析仪测得通切削液时切削液泵驱动电机功率Pcool。

[0014] 步骤2）中，针对选定的切削参数，根据指定的背吃刀量ap、进给速度F和切削宽度bD计算材料去除率MRR=ap×F×bD/1000；在数控铣床实际加工过程中，在净去除材料比能检测的每个采样周期，用功率分析仪在数控铣床电源进线端测得数控铣床总消耗功率Pmachine；则当采用切削液加工时，净去除材料消耗功率为Pnet=Pmachine-Pidle-Psu-Pxu-Pyu-Pzu-Pcool；当不采用切削液加工时，净去除材料消耗功率为Pnet=Pmachine-Pidle-Psu-Pxu-Pyu-Pzu；则该采样周期数控铣床的净去除材料比能为Unet=Pnet/MRR；进而可计算出在选定的切削参数情况下，铣削该工件材料的平均净去除材料比能。

[0015] 本发明在图2所示的数控铣床净去除材料比能在线检测系统中获得实现，所用机床为三轴数控立式铣床。该机床主轴用1PH7伺服电机驱动，X轴、Y轴、Z轴均用1FK7伺服电机驱动。用Fluke功率分析仪进行功率信号的采集和分析，其中在电流信号采集时用到了分流器进行信号转换。将功率分析仪的采集数据实时地经USB传输到PC机，进行功率数据存储，计算净去除材料消耗功率，并在线计算净去除材料比能。

[0016] 下面结合图3所示试验结果对本发明做进一步说明：在工件上进行铣槽加工时，做了净去除材料比能的在线检测试验。所用H13钢毛坯块尺寸是220 mm×20 mm×15 mm，使用的刀具为直径20 mm的端铣刀。加工参数为：主轴指令加工转速S=800 r/min，背吃刀量ap=1.5 mm，指令进给速度为F=200 mm/min，切削宽度bD=0.6 mm，沿X轴方向进行铣槽加工。在加工过程中用图2所示系统进行净去除材料比能检测，净去除材料比能曲线如图3所示，对H13钢工件铣槽加工时平均净去除材料比能为13.22 J/mm3。

[0017] 本发明在检测数控铣床净去除材料比能时，考虑了主轴系统、各进给轴系统的空载功率，以及冷却状况来计算净去除材料功率，结合材料去除率来检测计算净去除材料比能，计算方法更加准确；数控铣床加工过程中，只需测量数控铣床电源进线端总消耗功率，即可检测计算出该切削条件下净去除材料比能，该方法简单、有效。该发明内容不仅应用于数控铣床，也可推广到数控车床、数控刨床、数控磨床的净去除材料比能在线检测。