基于預(yù)埋無線傳感器的數(shù)控銑床振動(dòng)控制系統(tǒng)及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于振動(dòng)測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于預(yù)埋無線傳感器的數(shù)控銑床振動(dòng)控制系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]數(shù)控機(jī)床是制造業(yè)的工作母機(jī)，銑床是數(shù)控機(jī)床的第一要員。銑床可以加工平面、溝槽、分齒零件，特別是螺旋形表面及各種曲面都有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。對(duì)加工航空、航天、船舶、汽車和模具等制造業(yè)，都需要高檔數(shù)控機(jī)床作為其重要的生產(chǎn)工具。高效、精密、可靠、智能是其高檔數(shù)控銑床的主要發(fā)展趨勢(shì)，然而，高檔數(shù)控銑床振動(dòng)及控制一直是世界各國機(jī)床業(yè)面臨的重要難題之一。隨著對(duì)高精度零件的要求，加工精度已經(jīng)由毫米級(jí)、微米級(jí)向亞微米級(jí)、甚至納米級(jí)發(fā)展，振動(dòng)問題越發(fā)突出。在高精度加工過程中，只要發(fā)生微弱的振動(dòng)就會(huì)嚴(yán)重影響零件加工質(zhì)量，可能在已加工表面上留下刀紋，增大零件表面粗糙度，加劇金屬表面層的冷硬化，振動(dòng)還會(huì)使刀具的耐用度急劇下降，甚至導(dǎo)致刀刃的崩壞。
[0003]目前，常用于機(jī)床振動(dòng)測(cè)量的檢測(cè)方法是傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量方法。接觸式測(cè)量技術(shù)雖然在工件定位和坐標(biāo)設(shè)定、測(cè)量零件的幾何尺寸和三維形貌、刀具參數(shù)、刀具磨損檢測(cè)等方面有著一定的應(yīng)用，但還存在受力不均，測(cè)量時(shí)間長，測(cè)量點(diǎn)空間分辨率不夠高、容易劃傷工件表面、不能測(cè)量軟質(zhì)物體等先天缺陷。同時(shí)，接觸式傳感器本身重量會(huì)帶來一定的附加質(zhì)量和剛度影響，某種程度上會(huì)破壞結(jié)構(gòu)原有的振動(dòng)狀態(tài)，所以不適合測(cè)試輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，如機(jī)床主軸上刀尖的頻響函數(shù)。同時(shí)，由于受離心力的影響，接觸式傳感器在機(jī)床主軸高速旋轉(zhuǎn)、切削加工等場(chǎng)合的應(yīng)用也受到很大的限制。
[0004]對(duì)于高檔數(shù)控機(jī)床，要實(shí)現(xiàn)在線振動(dòng)測(cè)試及控制，其技術(shù)難點(diǎn)在于:
(1)振動(dòng)測(cè)試傳感器如何安裝到高檔數(shù)控機(jī)床上，并且建立測(cè)振點(diǎn)與主軸、切削點(diǎn)的振動(dòng)關(guān)系；
(2)振動(dòng)信號(hào)如何傳輸及傳輸路徑；
(3)如何在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制。
[0005]經(jīng)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)和研究表明:銑床的振動(dòng)主要與主軸振動(dòng)、切削速度、進(jìn)刀量有關(guān)。本發(fā)明綜合利用了壓電陶瓷的優(yōu)勢(shì)，采用了預(yù)埋式方法把MEMS傳感器組裝到刀體內(nèi)部，模擬分析得到測(cè)振點(diǎn)與主軸、切削點(diǎn)的振動(dòng)關(guān)系，并通過無線信號(hào)傳輸與接收的方式對(duì)銑床加工進(jìn)行實(shí)時(shí)振動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明目的:本發(fā)明提供一種基于預(yù)埋無線傳感器的高檔數(shù)控銑床在線振動(dòng)控制系統(tǒng)及控制方法，其目的在于解決數(shù)控銑床的振動(dòng)引起刀刃的崩壞、振動(dòng)測(cè)量分辨率不夠高、容易因刀具振動(dòng)劃傷工件表面、等先天缺陷，以及克服了振動(dòng)測(cè)試傳感器難以安裝到銑床上、振動(dòng)信號(hào)難以傳輸?shù)燃夹g(shù)難點(diǎn)。
[0007]技術(shù)方案: 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種基于預(yù)埋無線傳感器的數(shù)控銑床振動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)包括無線MEMS加速度傳感器，刀柄，計(jì)算機(jī)；所述的無線MEMS加速度傳感器通過傳感器定位釘固定在無線傳感器底座上；無線傳感器底座通過固定螺釘固定在刀柄的內(nèi)孔中；所述無線MEMS加速度傳感器通過藍(lán)牙信號(hào)與計(jì)算機(jī)連接。
[0008]所述的基于預(yù)埋無線傳感器的數(shù)控銑床振動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于:所述的無線傳感器底座為帶肩T型底座；所述刀柄的中間位置有信號(hào)傳輸孔。
[0009]一種基于預(yù)埋無線傳感器的數(shù)控銑床振動(dòng)控制方法，其特征在于:該方法由以下步驟實(shí)現(xiàn):
(1)將MEMS傳感器的定位底座加工為帶肩T型底座，為MEMS傳感器配加無線藍(lán)牙模塊；
(2)將標(biāo)準(zhǔn)彈性刀柄的中心通孔進(jìn)行以適合MEMS傳感器安裝的小段擴(kuò)孔；在刀柄中間位置開2個(gè)信號(hào)傳輸孔；
(3)將無線MEMS傳感器以螺紋連接的方式固定到彈性刀柄內(nèi)孔處；
(4)將組裝好傳感器的刀柄預(yù)裝到立式數(shù)控銑床上，將計(jì)算機(jī)與MEMS傳感器通過藍(lán)牙連接，并設(shè)置主軸系統(tǒng)振動(dòng)閾值和到頭切削點(diǎn)的振動(dòng)閾值；
(5)啟動(dòng)銑床空轉(zhuǎn)，測(cè)試主軸系統(tǒng)的振動(dòng)幅值，并將主軸測(cè)振點(diǎn)的振動(dòng)幅值與設(shè)定閥值進(jìn)行對(duì)比；
(6)對(duì)待加工件進(jìn)行銑削，根據(jù)MEMS傳感器測(cè)得的振動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)銑床的切削速度、進(jìn)刀量進(jìn)行調(diào)整，并同時(shí)進(jìn)行超差幅值補(bǔ)償。
[0010]優(yōu)點(diǎn)及效果:與沒有使用該系統(tǒng)的銑床相比，本發(fā)明能快速預(yù)知主軸和切削點(diǎn)不良顫振，提高了加工精度和加工效率，節(jié)約了刀具成本，延長了銑床壽命。
[0011]【附圖說明】:
圖1為本發(fā)明中加裝了 MEMS傳感器的刀柄示意圖；
圖2為本發(fā)明中加裝了 MEMS傳感器的刀柄剖視圖；
圖3為本發(fā)明中刀柄P向視圖；
圖4為本發(fā)明中的MEMS傳感器工作原理圖；
圖5為本發(fā)明的振動(dòng)控制流程圖；
圖中標(biāo)注刀柄、2信號(hào)傳輸孔、3無線MEMS加速度傳感器、4無線傳感器底座、5固定螺釘、6傳感器定位釘。
[0012]【具體實(shí)施方式】:
本發(fā)明是一種基于預(yù)埋無線傳感器的數(shù)控銑床振動(dòng)控制系統(tǒng)，及基于該系統(tǒng)的控制方法。本發(fā)明的技術(shù)思想為:采用預(yù)埋式方法把MEMS傳感器組裝到刀體內(nèi)部，模擬分析得到測(cè)振點(diǎn)與主軸、切削點(diǎn)的振動(dòng)關(guān)系，并通過無線信號(hào)傳輸與接收的方式對(duì)銑床加工進(jìn)行實(shí)時(shí)振動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制。
[0013]本發(fā)明中的基于預(yù)埋無線傳感器的數(shù)控銑床振動(dòng)控制系統(tǒng)，如附圖1-3所示，主要有以下部分組成:無線MEMS傳感器(內(nèi)含MMA9559L型三軸加速度傳感器)，彈性刀柄(標(biāo)準(zhǔn)BT40-ER-2-100L彈性刀柄)，便攜式計(jì)算機(jī)(內(nèi)含藍(lán)牙信號(hào)接收器)。無線MEMS加速度傳感器3通過傳感器定位釘6固定在無線傳感器底座4上；無線傳感器底座4通過固定螺釘5固定在刀柄1的內(nèi)孔中；所述無線MEMS加速度傳感器3通過藍(lán)牙信號(hào)與計(jì)算機(jī)連接。
[0014]本發(fā)明中的基于預(yù)埋無線傳感器的數(shù)控銑床振動(dòng)控制方法，具體為:
步驟1:將已有的一種可用于全方位振動(dòng)信號(hào)測(cè)試的MEMS傳感器進(jìn)行改造，改造部分為:定位底座:改為帶肩T型后座(如圖2所示);(2)配加無線藍(lán)牙模塊，以實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。無線MEMS傳感器工作原理如圖4 ;
步驟2:選擇一款標(biāo)準(zhǔn)彈性夾頭(本發(fā)明以BT40-ER-2-100L為例)，并對(duì)其中心通孔進(jìn)行以適合傳感器安裝的小段擴(kuò)孔；為了使得藍(lán)牙信號(hào)順利傳輸給外面信號(hào)接收設(shè)備，根據(jù)傳感器功率、采樣頻率及信號(hào)傳輸距離，在刀柄中間位置開有2個(gè)信號(hào)傳輸孔；所述的小段擴(kuò)孔是指該孔與無線傳感器底座4相匹配，一般為10-20_ ;
步驟3:確認(rèn)MMA9559L三軸加速度傳感器，電池，檢查藍(lán)牙組件及內(nèi)部電路，組裝好無線MEMS傳感器，確定好檢測(cè)方向，并用圖2中傳感器定位釘定位；將帶肩尾座的無線MEMS傳感器用4個(gè)螺釘固定到彈性夾頭內(nèi)孔處，并連接好彈簧夾、鎖緊螺母、拉釘和刀頭；
步驟4:將組裝好傳感器的刀柄預(yù)裝到立式數(shù)控銑床(VWC8508為例)上，準(zhǔn)備好信號(hào)接收及數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī)，并設(shè)置主軸系統(tǒng)振動(dòng)閾值和刀頭切削點(diǎn)的振動(dòng)閾值；
步驟5:如圖5空轉(zhuǎn)狀態(tài):啟動(dòng)銑床空轉(zhuǎn)，測(cè)試主軸系統(tǒng)的振動(dòng)幅值，主軸產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，MEMS加速度傳感器將與主軸目標(biāo)測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生正比的振動(dòng)形式，MEMS加速度傳感器將機(jī)械振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字電信號(hào)數(shù)據(jù)，并將電信號(hào)數(shù)據(jù)傳送給MCU，并通過藍(lán)牙將數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)點(diǎn)轉(zhuǎn)化與判別處理，當(dāng)主軸目標(biāo)測(cè)振點(diǎn)的振動(dòng)幅值大于所設(shè)閾值，則計(jì)算機(jī)會(huì)預(yù)警提示；當(dāng)主軸測(cè)振點(diǎn)的幅值小于或等于所設(shè)閾值時(shí)，則系統(tǒng)主動(dòng)轉(zhuǎn)到步驟6 ;
步驟6:如圖5工作狀態(tài):對(duì)待加工件進(jìn)行銑削，MEMS加速度傳感器將與刀尖銑削目標(biāo)測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生正比的振動(dòng)形式，MEMS加速度傳感器將機(jī)械振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字電信號(hào)數(shù)據(jù)，并將電信號(hào)數(shù)據(jù)傳送給MCU，并通過藍(lán)牙將數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)點(diǎn)轉(zhuǎn)化與判別處理，當(dāng)?shù)额^切削點(diǎn)的振動(dòng)幅值小于或等于設(shè)定閾值時(shí)，則正常進(jìn)行加工；當(dāng)?shù)额^切削點(diǎn)的振動(dòng)幅值大于設(shè)定閾值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行程序調(diào)整，調(diào)整切削速度，減小進(jìn)刀量，并同時(shí)進(jìn)行超差幅值補(bǔ)償，直到切削點(diǎn)的振動(dòng)幅值小于預(yù)定閾值，直到此段程序完成。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于預(yù)埋無線傳感器的數(shù)控銑床振動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)包括無線MEMS加速度傳感器(3)，刀柄(1 )，計(jì)算機(jī)；所述的無線MEMS加速度傳感器(3)通過傳感器定位釘(6)固定在無線傳感器底座(4)上；無線傳感器底座(4)通過固定螺釘(5)固定在刀柄(1)的內(nèi)孔中；所述無線MEMS加速度傳感器(3)通過藍(lán)牙信號(hào)與計(jì)算機(jī)連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于預(yù)埋無線傳感器的數(shù)控銑床振動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于:所述的無線傳感器底座(4)為帶肩T型底座；所述刀柄(1)的中間位置有信號(hào)傳輸孔(2)。3.—種基于預(yù)埋無線傳感器的數(shù)控銑床振動(dòng)控制方法，其特征在于:該方法由以下步驟實(shí)現(xiàn): (1)將MEMS傳感器的定位底座加工為帶肩T型底座，為MEMS傳感器配加無線藍(lán)牙模塊； (2)將標(biāo)準(zhǔn)彈性刀柄的中心通孔進(jìn)行以適合MEMS傳感器安裝的小段擴(kuò)孔；在刀柄中間位置開2個(gè)信號(hào)傳輸孔； (3)將無線MEMS傳感器以螺紋連接的方式固定到彈性刀柄內(nèi)孔處； (4)將組裝好傳感器的刀柄預(yù)裝到立式數(shù)控銑床上，將計(jì)算機(jī)與MEMS傳感器通過藍(lán)牙連接，并設(shè)置主軸系統(tǒng)振動(dòng)閾值和刀頭切削點(diǎn)的振動(dòng)閾值； (5)啟動(dòng)銑床空轉(zhuǎn)，測(cè)試主軸系統(tǒng)的振動(dòng)幅值，并將主軸測(cè)振點(diǎn)的振動(dòng)幅值與設(shè)定閥值進(jìn)行對(duì)比； (6)對(duì)待加工件進(jìn)行銑削，根據(jù)MEMS傳感器測(cè)得的振動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)銑床的切削速度、進(jìn)刀量進(jìn)行調(diào)整，并同時(shí)進(jìn)行超差幅值補(bǔ)償。
【專利摘要】本發(fā)明是一種適用于各種高檔數(shù)控銑床精密加工的、預(yù)埋式MEMS無線傳感器在線振動(dòng)控制系統(tǒng)，及使用該系統(tǒng)的控制方法。主要部件包括：MEMS無線傳感器，刀柄，計(jì)算機(jī)?？刂品椒ň唧w為：1、將無線傳感器預(yù)埋固定到刀柄的夾頭里；2、分別設(shè)定主軸和切削過程中振動(dòng)允許閾值；3、預(yù)裝上刀頭后，啟動(dòng)銑床空轉(zhuǎn)，測(cè)試主軸系統(tǒng)的振動(dòng)幅值；4、主軸振動(dòng)符合要求后，對(duì)待加工件進(jìn)行銑削，當(dāng)?shù)额^切削點(diǎn)的振動(dòng)幅值小于或等于設(shè)定閾值時(shí)，則正常進(jìn)行加工；當(dāng)?shù)额^切削點(diǎn)的振動(dòng)幅值大于設(shè)定閾值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行程序調(diào)整，調(diào)整切削速度，減小進(jìn)刀量，并同時(shí)進(jìn)行超差幅值補(bǔ)償，直到切削點(diǎn)的振動(dòng)幅值小于預(yù)定閾值。
【IPC分類】G05B19/19
【公開號(hào)】CN105425722
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510769899
【發(fā)明人】李暉, 李煥軍, 任朝暉, 李小彭, 趙春雨, 聞邦椿
【申請(qǐng)人】東北大學(xué)
【公開日】2016年3月23日
【申請(qǐng)日】2015年11月11日