[发明专利]基于切削振动阻尼特性的在线刀具磨损监测方法

说明书

本发明公开了基于切削振动阻尼特性的在线刀具磨损监测方法，加工过程中，刀具与工件接触，由于受到切削力和切削热的耦合作用，导致刀具出现磨损现象，对产品质量和刀具使用寿命产生严重影响。刀具磨损主要是由于刀具后刀面与工件表面之间的摩擦导致的过程阻尼效应，从而引起切削过程动态特性改变。本发明提出了一种基于切削振动阻尼特性的在线刀具磨损监测方法。针对铣削加工特点，通过切削振动响应信号，采用广义过零点和希尔伯特变化计算局部均值频率和瞬时幅值，最终计算得到切削振动局部阻尼比，实现刀具磨损监测。本发明的方法为刀具磨损提供了一个具有明确物理意义的观测量，且不受加工工况影响，具有较高的应用价值。

技术领域

本发明涉及机械制造过程监测领域，特别是涉及一种基于切削振动阻尼特性的在线刀具磨损监测方法。

背景技术

铣削加工具有较高的加工精度和生产效率，已成为机械加工中必不可少的一种加工方式。刀具作为加工过程中的直接执行者，其状态是影响加工质量和生产效率的关键因素。刀具磨损和刀具破损是刀具失效的主要形式。数据统计，20％的机床停机是由刀具失效造成的。传统的刀具磨损监测主要依靠有经验的技术人员人工监控，或通过定期换刀的形式来保证机床的正常切削加工，其对经验水平要求较高，效率较低，且易造成浪费。因此，刀具状态监测对提高产品质量和生产效率以及保障机床正常运行具有十分重要的意义。

刀具磨损是一个非常复杂的过程。刀具与工件接触产生摩擦作用是刀具磨损的主要原因。刀具与工件之间的相对振动在工件表面产生振动波纹，当刀具后刀面与不平坦的工件表面接触时，会出现干涉现象，即过程阻尼效应，导致切削动态特性发生变化。切削过程中产生的阻尼一般分为机械结构阻尼和过程阻尼。过程阻尼不仅影响切削的稳定性，而且与刀具磨损密切相关。但磨损刀具的过程阻尼建模以及模型系数的辨识非常困难，缺乏准确快速辨识过程阻尼参数的实验手段。因此，针对铣削加工过程特点，分析切削振动响应特性，通过切削动态特性参数变化研究刀具磨损规律意义深远。

发明内容

本发明的目的在于克服现有方法和技术的不足，提供一种基于切削振动阻尼特性的在线刀具磨损监测方法。

本发明所采用的技术方案如下：

基于切削振动阻尼特性的在线刀具磨损监测方法，包括以下步骤：

步骤1：采集切削加工过程中主轴振动信号和主轴电机电流信号。

步骤2：根据切削过程中转速波动和电流信号的有效值判断切削状态(空切，正常切削和停机操作)。

步骤3：对正常切削状态下的振动信号，确定过零点和局部极值点(局部极大值和局部极小值)等关键点，采用广义过零点法计算信号沿时间轴上每一点处的加权平均频率(即局部均值频率)。

步骤4：对正常切削状态下的振动信号，采用希尔伯特变换计算信号的幅值包络。

其中y(t)为信号x(t)的希尔伯特变换。

步骤5：利用局部均值频率函数和幅值包络函数计算切削振动局部阻尼比。

步骤6：利用刀具锋利和正常磨损时期的切削振动阻尼比数据确定加工过程刀具急剧磨损的控制限。

步骤7：以μ+3σ阻尼比为急剧磨损阈值监控刀具磨损状态。

本发明的有益效果是：刀具磨损导致切削过程阻尼的变化是切削振动信号动态特性随刀具磨损时变的一个主要因素。通过计算切削振动阻尼比这一具有物理意义的无量纲量作为监测刀具磨损过程的观测指标，更具有理论依据，而且该方法不受加工工况影响，对于不同加工条件和刀具均具有适用性，可有效提高监测准确性和可靠性，保障加工质量和机床的正常运行。

附图说明