[发明专利]一种磨削功率与能耗智能监控系统及决策方法

说明书

本发明公开一种磨削功率与能耗智能监控系统及决策方法，属于机床监控技术领域。针对当前实际磨削加工实践中，主要通过看磨削火花与听磨削声音的经验方式来判断磨削状态、设定和调整磨削参数的现状，发明了一种磨削功率与能耗智能监控软件和硬件系统、大数据分析与决策系统以及方法，实现对磨削过程中功率与能耗的实时监控与分析，具有磨床、磨具、工作液性能比较与分析以及磨削加工策略与工艺参数优化功能。通过比较实时磨削功率与判定临界功率阈值下限P₁和上限P₂的大小关系，判断磨削状态，实现对磨削过载、磨具钝化、磨削烧伤有效分析与预判。本发明可应用到磨料、磨具与磨削相关制造行业，促进实现高效率、低能耗、智能生产。

技术领域

本发明涉及一种机械加工监控系统及方法，尤其是一种磨削功率与能耗智能监控系统及决策方法，属于机床监控技术领域。

背景技术

磨削技术能够高效低成本地获得高表面质量和加工精度，已被广泛地应用于航空航天、汽车、船舶、精密器械、核能、光电子以及半导体等工业领域。当前，磨削加工在精密制造领域约占70％，是最重要的支柱加工技术之一。然而，由于磨具表面大量不规则磨粒的不均匀性磨损，使得磨削是一个复杂且极其不稳定的过程，同时，由于受磨具属性、工件材料、磨削参数、机床振动以及砂轮修整等因素的影响，难以精确控制磨削质量和加工效率。此外，磨具与工件表面接触时较大的负前角以及刃口圆弧半径，使得与其它机械加工方法相比，单位体积材料去除过程中磨削加工需要更多的磨削能耗。高磨削能耗意味着高磨削热和大磨削力，从而导致磨具快速磨损、工件易于产生表面烧伤以及表面/亚表面损伤严重等问题。在实际磨削加工实践中，往往依靠操作人员长期的加工经验来设定磨削参数，通过看磨削火花、听磨削声音的方式来判断磨削状态，然后对磨削参数进行调整。这种传统方式缺乏对实际磨削过程的动态了解，无法对磨削过载、砂轮钝化、磨削烧伤进行有效分析与预判，从而导致磨削能耗高、磨削效率低、易于磨削烧伤、磨削表面质量差以及磨削性能不稳定等问题。

目前，国内外学者针对磨削过程的多传感器技术以及工艺参数优化在实验室进行了大量的研究。根据传感器功能的不同，可大体分为磨削力、磨削温度、声发射、加速度、主轴功率等监测技术。(1)基于磨削力监测技术是通过三向压电晶体测力仪，检测分析切向磨削力、法向磨削力和轴向磨削力，通过信号特征抽取与测量数据处理，分析磨削能耗、磨具磨损状态、磨削加工质量等。然而，磨削力的整套监测系统通常非常昂贵，测量操作相对繁琐，并且需要改变工件装夹，降低磨削加工系统刚性，因此，在实际生产实践中很少应用。(2)基于磨削温度监测技术是利用热电偶、A/D转化、数据采集与分析系统，建立磨削温度测量系统，研究不同工艺条件下的磨削接触弧区温度，揭示磨削机理、优化磨削工艺参数，以及预测与避免磨削烧伤等。然而，采用热电偶等磨削温度测量方法需要在工件内部埋放热电偶，从而破坏工件，因此，实际生产中极少采用。(3)基于声发射监测技术是通过检测工件材料、砂轮磨粒与结合剂等由局部应力集中源能量迅速释放而产生的瞬时弹性波，经过数据处理反映砂轮与工件的磨削状态，常用于砂轮修整、磨削质量监控与评估。基于加速度监测技术是通过检测机械振动的振幅和频率等，经过信号的采集和处理对磨床进行故障诊断以及加工过程的监测。但基于声发射信号和加速度信号的磨削监控系统通常会受到实际加工环境的噪音和振动的影响，测量结果稳定性差，同样不适合实际磨削生产的应用。(4)基于主轴功率监测技术是通过检测主轴瞬时功率与功耗，建立主轴瞬时功率与磨削质量之间的特征关系，对磨削过程进行实时监控。相比较其它磨削监控技术，该技术成本低，无需更改磨削装夹装置，无需破坏加工工件，不受实际生产中其它因素的影响，是一种既简单又方便的检测方法。

当前所开发的磨削功率监测系统，基本上停留在简单的监测和显示随时间响应单一信号与数据，不能有效地建立磨削输入参数、监测功率数据与磨削输出结果三者之间的特征映射关系，没有监测数据库以及数据处理、分析与决策功能。

发明内容