基於功率監控的深孔(kǒng)加工刀具過載保護係統設計(jì)
2017-12-14 來(lái)源: 長春工業大學 應用技術學院 作者:丁健生
摘 要:針對數控機(jī)床(chuáng)在進(jìn)行深孔鑽削加工(gōng)時刀具易折斷的問(wèn)題,提出了一種基於功率檢測原理的刀具過載保護方(fāng)案,並開發了刀具過載保護係統。該係統通過對數控機床的功(gōng)率進行在線采(cǎi)集,實時判斷刀具負載狀況,當出現負載超限時對主軸進行急停保護,從而實現對刀具的過載保護功能。
關鍵詞(cí):鑽削加工(gōng);刀具保護;840D
1 、概述
數控機床在進行深孔鑽削(xuē)加工時,經常因纏屑、刀具斷刃等原因導致刀具負(fù)載突增、扭矩過大(dà)而造成刀具瞬間折斷。由於事發突然,操作者往往(wǎng)來不及采取處理措施而直(zhí)接導致刀具報廢,機床受損。同時折斷的刀(dāo)頭嵌入工件中,往往又(yòu)造成工件報廢。因此,如果能研究一種(zhǒng)自動化(huà)刀具過載保護係統,能夠在(zài)刀具負載超限前主動停機,避免刀具折斷,將對(duì)節約加(jiā)工成本,提高加工的成功率具有重(chóng)要意義。
研究發現,刀具(jù)折斷(duàn)都是發生在鑽削扭矩急速增大的瞬間,此時機床主軸電機的(de)功率也發生相應變化(huà)。如果能(néng)夠跟蹤采集這些信號,並從中提取有效(xiào)特(tè)征信息,建立特征信息與刀具載荷的對應關(guān)係,則能在刀具(jù)過(guò)載之前,提前(qián)預判,快速(sù)采取措施停止加工,達(dá)到保護刀(dāo)具和工件的目的。
目前主流(liú)的開放式數控係(xì)統都具有(yǒu)開放的軟硬件接口,通過這些(xiē)接口可以直接獲取上述功率信號且不需要硬件投入,不(bú)改變機(jī)床原有結構(gòu),對機床原有功能沒有影響,這(zhè)給集成化的刀具過載保護係統提供了可能。對此,本文針對配備了西門(mén)子 840D 數控係統(tǒng)的加工中心,研究了其功率采集方案,並利(lì)用其開放性設計了刀具過載保護係統(tǒng),實現了深孔加工時對刀具的過載保護功能(néng)。
2 、係統結構設計
係統的整體(tǐ)結構如圖 1 所示。 840D 數控係統與刀具過(guò)載保(bǎo)護係統(tǒng)協(xié)同工作,其中 840D 數控係統(tǒng)通(tōng)過(guò)內置(zhì)的 PLC 向刀具過載保護係統提供主軸功率的模擬量數據及確立加工時段(duàn)的開關量數據。
刀具過載保護係統實(shí)時測控主軸的功率變化,當(dāng)判斷刀具處於過載狀態時,向PLC 發(fā)送停機信號,PLC 收到(dào)停機信號後通知(zhī) NCK 執行一段預先編製的停機(jī)程序,停止主軸轉動,從而保護(hù)刀具免(miǎn)於折斷。
圖 1 刀具過載保護係統結構示意圖
西門子 840D 數控(kòng)係統由 NCK+PLC+PC 三級控製結構組成,其中NCK(Numeric Control Kernel)負責數控加工的核心功能;PLC 負責刀庫等外圍電氣的控製(zhì);PC 負責機床控製麵板的顯(xiǎn)示和操作。數控係統內置了多種傳(chuán)感器(qì),包括主軸功率(lǜ)在內的數據都存儲(chǔ)在 NCK 的(de)狀態變量(liàng)裏,利用機床 PLC 可以(yǐ)讀取這些變量,再通過 PLC 自帶的模擬量輸出模塊輸出。
而在過載保護係統一側,再(zài)通過數據采(cǎi)集卡實現(xiàn)模擬量到數字量的轉換,從而無需加(jiā)裝任何外置傳(chuán)感器就可以實時獲(huò)得主軸(zhóu)的功率,為刀具過載狀態(tài)的判斷提供基礎。基於功率監(jiān)控原理(lǐ)實現刀具過載保護的另一個難點是如何確(què)定有效加工時段。數控加工中心在進(jìn)行換向(xiàng)等操(cāo)作時,其功率數據會顯著增大,甚至超過鑽削加工時的功率。因此過載保護係統必須能夠確定(dìng)加工中心現在是否正處於鑽削加(jiā)工狀態,從而決定是(shì)否(fǒu)進行功率監(jiān)控和刀具保護。
對此本(běn)文采用在 NC 加工程序中嵌(qiàn)入擴展的 M 指(zhǐ)令(lìng)的方式來實現有效(xiào)加工時段(duàn)的確定。具體實現方式為:在 NC 程序的(de)鑽(zuàn)削加工開始指令前加入 M75 指令,在鑽削加工結(jié)束指令後加入 M76 指(zhǐ)令。當加工程序執行至該指令時,機床 PLC 向數據采集(jí)卡輸(shū)出一(yī)組相應的開關(guān)量。過載保護程序捕獲到該開關量,根據該開關量來開啟或關閉監控功(gōng)能。
3 、過載(zǎi)判別(bié)算法設計
在獲取加工(gōng)時段的(de)功率數據後,由於功率數據中包含有幹擾(rǎo)信息,其瞬時(shí)數據可能會出(chū)現(xiàn)高於正(zhèng)常加工時平均功率(lǜ)的情況。此外,即(jí)使正(zhèng)常加工過程中,也存在(zài)功率瞬時突增又迅速回落的情況,因此不能簡單的利用閾值法對瞬時功率(lǜ)進行判斷,來確定刀具是否處於過載狀態。對此,本文(wén)采用了滑動窗口求平均的方法(fǎ)來防止突(tū)變,即 i 時刻的功率:
式中 Pk為(wéi) k 時刻主軸功率的原始數據,P'i為 i 時(shí)刻主軸(zhóu)功率濾波後的數據,2n+1 為窗口大小。對 n 值的選取要注意,如(rú)果 n 值過小起不到去噪的(de)作用,而(ér) n 值過大將使係統變(biàn)得遲鈍,使得刀具折斷發生在過(guò)載狀態識別之前,失去保(bǎo)護作用。n 值的確(què)定與數據采集(jí)程序的采樣頻率有關,頻率高則 n 值大,反(fǎn)之 n 值則較小。本係統的采樣頻率為100HZ,通過試驗,n 值定為 40 左右可兼顧係統的實時(shí)性與穩定性。對濾波後的功率 P'i與預設的峰值功率 Pmax對比,如果高於後者,則視為刀具過載狀況發生,此時啟動停機保護動作,否則繼續監控主軸功率(lǜ)直至收到鑽削加工結束信號。
對於 P'i的計算,可以采用迭代算法進行優化,即
從(cóng)而減少對加法的重複計(jì)算。
4 、後(hòu)處理設計
當檢測到刀具(jù)過(guò)載發生後,還(hái)需要適當的動(dòng)作使主(zhǔ)軸停(tíng)止下來,以避免刀(dāo)具折(shé)斷,即過載保護的後處理。最簡單的後處理方法是通過(guò)繼電器直接給主軸斷電,但由於轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的存在,主軸斷(duàn)電後並(bìng)不能迅速停止轉動,從而使係統的保護作用延遲,效果不理想。而且(qiě)突然斷電對數控係(xì)統的穩定性也會產生影響。另(lìng)外一種方案是(shì)在主軸與刀具之間加裝電磁離合器裝置,過載發生(shēng)時由程序控製使主(zhǔ)軸與刀具分(fèn)離,刀具失去動力迅速停止下來,但該方案需要額外的硬件投入,且對加工中心硬件改動(dòng)大,存在影響(xiǎng)加工精度的風險。
本文在解決這一問題時再一次利用了 840D 數控係統的開(kāi)放性,當刀具過載保護係統檢測到過載發生後,向 840D 的(de) PLC 發送一開關量停機信號,通過在 PLC 中(zhōng)編程(chéng),使之在收到停機信號後,向 NCK 發送指令,使(shǐ) NCK 暫停當前正在(zài)執行的加工程序,轉而(ér)調用另一段預先編的停機程序,使主軸停止。從而(ér)實現不借助額外機電裝置的前提下(xià),實現刀具保護。
5 、結束語
本文以裝備(bèi) 840D 數控係統(tǒng)的加(jiā)工中心為研究對象,在不改(gǎi)變機床原有結構的前提下,設計了一種基於功率監控原理的刀具過載(zǎi)保護係統。利用 840D 係統的開放性,實(shí)現主(zhǔ)軸功率數據的采集(jí),在(zài)此基礎上采用滑動平均及閾(yù)值判斷法實現刀具(jù)過載狀態(tài)的識別,最後通過 PLC與NCK 的交互來完成(chéng)主(zhǔ)軸停機(jī)動作,從而實現刀具過載保護功能。
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