專利名稱：一種基于位置信息的數(shù)控機床工件加工質(zhì)量在線評估方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)控機床工件加工表面質(zhì)量評估方法，具體涉及一種基于位置信息的數(shù)控機床工件加工質(zhì)量在線評估方法。
背景技術(shù)：
在高速高精度數(shù)控機床領(lǐng)域，為了降低貴重零部件加工的次品率，企業(yè)及科研院所都在不遺余力的探索有效的途徑。目前，為保證零部件加工質(zhì)量，所采取的主要手段有 1)機床狀態(tài)監(jiān)測及維護技術(shù)；幻零部件在機檢測技術(shù)。由于看到了設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)可能帶來的巨大經(jīng)濟效益，發(fā)達國家將大量的資源投入在數(shù)控裝備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的研究與應(yīng)用。澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織(CSIRO) 已將設(shè)備遠程診斷和維修技術(shù)納入“21世紀(jì)全球制造”項目，并作為其重點研究對象，該技術(shù)已在一家CNC平板切割機床廠的設(shè)備上進行了示范性的應(yīng)用。美國自然科學(xué)基金成立了高校/企業(yè)聯(lián)合智能維修系統(tǒng)研究中心(IMS Center)，其企業(yè)成員包括因特爾、波音、福特、應(yīng)用材料、通用電氣、國家儀器等著名制造業(yè)企業(yè)以及密歇根大學(xué)，辛辛那提大學(xué)，密蘇里科技大學(xué)等著名高校，中心的研究著眼于將先進技術(shù)應(yīng)用于設(shè)備的遠程監(jiān)測和診斷，利用智能維修系統(tǒng)使設(shè)備持續(xù)保持“零故障”工作狀態(tài)，并最終轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的“故障后維修”為 “故障預(yù)測及預(yù)防”。各大數(shù)控機床及數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠商也推出了相關(guān)產(chǎn)品，其中GE-Fanuc 推出了可應(yīng)用于遠程連接Fanuc i系列機床的開發(fā)庫文件F0CAS1/2 Ethernet Libraries, 利用該庫文件可以對設(shè)備進行二次開發(fā)，實現(xiàn)機床狀態(tài)信息的在線監(jiān)測。Mazak公司也建立了基于hternet的數(shù)控機床狀態(tài)信息監(jiān)測服務(wù)平臺，并且已在全球6000多套系統(tǒng)上使用。 Siemens數(shù)控推出了 ePS網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，包括了故障診斷和設(shè)備監(jiān)測?！霸跈C檢測”(OMV)解決方案是一種在數(shù)控加工機床上使用的，用于自動化測量自由曲面和幾何體的離線編程軟件系統(tǒng)。在加工過程中，當(dāng)零件沒有被從數(shù)控機床上卸下來之前，做出制造過程中是否繼續(xù)和是否返工等的決定。通過對加工的每一個階段監(jiān)測被加工零件的質(zhì)量，從而可節(jié)省大量的加工時間。它能夠盡早地發(fā)現(xiàn)加工中出現(xiàn)的任何誤差，并盡快地將其修正，從而極大地降低成本。然而，數(shù)控機床在線監(jiān)測技術(shù)僅能對機床工作狀態(tài)進行監(jiān)測，在機檢測技術(shù)，雖然大大節(jié)省了零件拆裝檢測的工序，但其測量過程仍然需耗費大量時間，同時其檢測必須等加工過程結(jié)束后，才可以進行。為實現(xiàn)數(shù)控機床工件加工質(zhì)量的快速、加工過程檢測，有必要尋找其它途徑。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種基于位置信息的數(shù)控機床工件加工質(zhì)量在線評估方法，提高了工件生產(chǎn)效率，減少了由于工件質(zhì)量不滿足要求而導(dǎo)致的廢品率。為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是
一種基于位置信息的數(shù)控機床工件加工質(zhì)量在線評估方法，包括以下步驟步驟1)，利用數(shù)據(jù)采集設(shè)備在數(shù)控機床加工過程中采集參與插補運動的數(shù)控機床伺服驅(qū)動器位置及速度反饋信息A(Ii)i，采樣頻率fs，其中，η為樣本長度，下角標(biāo)k的取值為1，e，其中1表示位置反饋信號，e表示速度反饋信號，i表示軸號，i取值為i : (X，y，ζ, A, B, C, U, V, W)；步驟2)，計算參與插補運動的各軸i的速度Vk(J)i、加速度Ak(J)i，計算方法為
vr) JiXkU)-xku-mjw
k \<J / i I/-ν· /-νI
{0J = O
k 1 { 0 7=0其中，Vk(J)i為第j采樣點速度，Ak(J)i為第j采樣點加速度，以位置信息為橫坐標(biāo)，以速度或加速度為縱坐標(biāo)作圖，繪制運動參數(shù)圖譜，分析被采樣的進給軸工作平穩(wěn)性；步驟幻，通過計算各軸位置反饋信號與速度反饋信號的差值，得出數(shù)控機床被側(cè)軸工作臺瞬時位置波動情況，該波動將隨數(shù)控機床插補運動反映到工件加工表面質(zhì)量中
去，影響工件表面加工質(zhì)量，進給軸位置瞬時波動值計算方法為AUX =XiUX-^kP，
2πτ
其中，r為i軸減速比，ρ為i軸滾珠絲杠導(dǎo)程，當(dāng)i軸為選擇軸時，ρ = 2 π ；步驟4)，按照步驟幻及步驟幻的方法，分別計算參與插補運動的各軸速度Vk(j) i、加速度Ak(J)i及進給軸位置瞬時波動值，按照被測機床坐標(biāo)系定義中各參與插補運動軸的相互關(guān)系，建立工件系統(tǒng)與刀具系統(tǒng)坐標(biāo)系，以產(chǎn)生切削運動的軸位置點及參與切削運動的進給軸位置瞬時波動值作為刀具切削刃空間坐標(biāo)點，作出刀具加工過程空間軌跡圖；步驟幻，根據(jù)被加工零件形狀，分析刀具加工過程空間軌跡圖中刀具切削刃在加工過程中的實際軌跡與理論軌跡的波動誤差，并與三坐標(biāo)測量機測量結(jié)果做對比，建立波動誤差允許范圍，并作為判斷當(dāng)前切削刃位置波動量是否在合格區(qū)域的依據(jù)，當(dāng)波動量在誤差允許范圍內(nèi)時，工件加工過程可以繼續(xù)進行；當(dāng)波動量在誤差允許范圍外時，停止加工過程；步驟6)，依據(jù)刀具加工過程空間軌跡圖和運動參數(shù)圖譜，分析造成加工誤差超出允許范圍的原因，標(biāo)示加工運動異常區(qū)域，在相對靜止軸方向出現(xiàn)加工誤差超出允許范圍的情況，是由于相對靜止軸受力產(chǎn)生變形或產(chǎn)生微小位移引起；在運動軸方向出現(xiàn)加工誤差超出允許范圍的情況，是由于運動軸動態(tài)誤差引起。本發(fā)明的優(yōu)點是由于通過監(jiān)測數(shù)控機床進給系統(tǒng)位置反饋和速度反饋信息為工件加工質(zhì)量在線判斷提供了依據(jù)避免了工件質(zhì)量檢測的停機過程，實現(xiàn)了數(shù)控機床工件加工質(zhì)量的在線監(jiān)測評估，故而減少了停機過程，提高了生產(chǎn)效率。


圖1為本發(fā)明的流程圖。圖2為實施例運動過程Y軸速度圖，其中，橫坐標(biāo)表示采樣點或時間；縱坐標(biāo)表示 Y軸速度。
圖3為實施例運動過程Y軸工作臺瞬時位置波動圖，其中，橫坐標(biāo)表示采樣點或時間；縱坐標(biāo)表示位置偏差。圖4為實施例切削刃空間位置波動圖，其中，C Axis、Y Axis、Z Axis均為參與切削運動的機床軸。圖5為實施例三坐標(biāo)測量機測量結(jié)果圖。圖6為實施例只考慮主因素的切削刃空間位置波動圖，其中，橫坐標(biāo)表示Y軸方向的波動量；縱坐標(biāo)表示Z軸方向的位移。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細說明。參照圖1，一種基于位置信息的數(shù)控機床工件加工質(zhì)量在線評估方法，包括以下步驟步驟1)，利用數(shù)據(jù)采集設(shè)備在數(shù)控機床加工過程中采集參與插補運動的數(shù)控機床伺服驅(qū)動器位置及速度反饋信息A(Ii)i，采樣頻率fs，其中，η為樣本長度，下角標(biāo)k的取值為1，e，其中1表示位置反饋信號，e表示速度反饋信號，i表示軸號，i取值為i : (X，y，ζ, A, B，C，U，V，W)，例如X1 (n)x,表示X軸位置反饋信號數(shù)據(jù)樣本；步驟幻，計算參與插補運動的各軸i的速度Vk(J)i加速度Ak(jh，計算方法為
vr) JiXkU)-xku-mjw
k \<J / i I/-ν· /-νI
{0J = O
^001 ".、 \wk(j)-vk(j-mj>oA(J)1 =1
k ‘ { 0 7=0其中，Vk(J)i為第j采樣點速度，Ak(J)i為第j采樣點加速度，以位置信息為橫坐標(biāo)，以速度或加速度為縱坐標(biāo)作圖，繪制運動參數(shù)圖譜，分析被采樣軸工作平穩(wěn)性；步驟幻，數(shù)控機床伺服驅(qū)動器速度反饋信號為驅(qū)動器所控制電機的編碼器信號， 該信號實際為電機瞬時旋轉(zhuǎn)位置，因此將其作為數(shù)控機床進給軸半閉環(huán)位置輸入信號，通過計算各軸位置反饋信號與速度反饋信號的差值，得出數(shù)控機床被側(cè)軸工作臺瞬時位置波動情況，該波動將隨數(shù)控機床插補運動反映到工件加工表面質(zhì)量中去，影響工件表面加工
質(zhì)量，工作臺瞬時位置波動計算方法為:E人j\ =Xl(J)i-^Ap，其中，r為i軸減速比，ρ
2πτ
為i軸滾珠絲杠導(dǎo)程，當(dāng)i軸為選擇軸時，P = 2 π ；步驟4)，按照步驟幻及步驟幻的方法，分別計算參與插補運動的各軸速度Vk(j) i、加速度Ak(J)i及進給軸位置瞬時波動值，按照被測機床坐標(biāo)系定義中各參與插補運動軸的相互關(guān)系，建立工件系統(tǒng)與刀具系統(tǒng)坐標(biāo)系，以產(chǎn)生切削運動的軸位置點及參與切削運動軸的工作臺瞬時位置波動值作為刀具切削刃空間坐標(biāo)點，作出刀具加工過程空間軌跡圖；步驟幻，根據(jù)被加工零件形狀，分析刀具加工過程空間軌跡圖中刀具切削刃在加工過程中的實際軌跡與理論軌跡的波動誤差，并與三坐標(biāo)測量機測量結(jié)果做對比，建立波動誤差允許范圍，并作為判斷當(dāng)前切削刃位置波動量是否在合格區(qū)域的依據(jù)，當(dāng)波動量在誤差允許范圍內(nèi)時，工件加工過程可以繼續(xù)進行；當(dāng)波動量在誤差允許范圍外時，停止加工過程；步驟6)，依據(jù)刀具加工過程空間軌跡圖和運動參數(shù)圖譜，分析造成加工誤差超出允許范圍的原因，標(biāo)示加工運動異常區(qū)域，在相對靜止軸方向出現(xiàn)加工誤差超出允許范圍的情況，是由于相對靜止軸受力產(chǎn)生變形或產(chǎn)生微小位移引起；在運動軸方向出現(xiàn)加工誤差超出允許范圍的情況，是由于運動軸動態(tài)誤差引起。下面結(jié)合實施例對本發(fā)明進行詳細說明。圖3所示為某大型齒輪成型磨削數(shù)控機床Y軸加工過程工作臺瞬時位置波動圖。 該數(shù)控機床此時正在加工一大型齒輪。該機床結(jié)構(gòu)為，刀具砂輪安裝在Z軸上，Z軸垂直與水平面，Z軸安裝在Y軸上，Y軸平行于水平面，C軸為旋轉(zhuǎn)工作臺，臺面平行于水平面，軸線與Z軸平行。在加工過程中，砂輪高速旋轉(zhuǎn)，隨Z軸產(chǎn)生上下方向運動；C軸在加工完一個齒后，進行分度運動，分度運動后保持靜止；Y軸在加工過程中，理論上始終保持靜止。采樣過程中，采樣頻率設(shè)置為1000Hz，采樣軸為C軸位置環(huán)反饋信息，C軸速度環(huán)反饋信息，Y軸位置環(huán)反饋信息，Y軸速度環(huán)反饋信息，Z軸位置環(huán)反饋信息。采樣長度 329696點，采樣過程中加工15個齒。按照本發(fā)明中步驟2)、步驟3)計算加工過程中測試各軸的運動參數(shù)及工作臺瞬時波動位置，發(fā)現(xiàn)Y軸在加工過程中出現(xiàn)異常，如圖3所示。理論上Y軸在加工過程中應(yīng)保持位置恒定，而實際卻產(chǎn)生了 3 μ m的位置波動，從而導(dǎo)致Y軸速度在0值附近波動，引入切削不平穩(wěn)因素，如圖2所示。隨后對加工過程數(shù)據(jù)按照步驟4)所提出的切削刃空間軌跡合成方法，合成切削刃加工過程位置波動圖，如圖4所示。明顯可以觀察到，在Z軸650mm-800mm行程范圍內(nèi)， 刀具切削刃軌跡出現(xiàn)4μπι的波動。通過對比各軸加工過程中運動參數(shù)，確定引起刀具切削刃加工過程位置產(chǎn)生較大波動的因素在Y軸，故僅考慮主因素合成加工過程刀具切削刃空間位置波動，如圖6所示。為驗證本方法所檢測到的加工誤差是否在齒輪齒向加工精度上有影響，利用三坐標(biāo)測量機對工件進行齒向誤差檢驗，檢驗結(jié)果如圖5所示。對比發(fā)現(xiàn)，檢驗結(jié)果在同一區(qū)域產(chǎn)生同一趨勢波動，加工誤差超出國標(biāo)要求。通過以上實例驗證，本發(fā)明有效地在線檢測出齒輪加工過程中由Y軸位置波動引起的表面加工誤差。
權(quán)利要求
1. 一種基于位置信息的數(shù)控機床工件加工質(zhì)量在線評估方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1)，利用數(shù)據(jù)采集設(shè)備在數(shù)控機床加工過程中采集參與插補運動的數(shù)控機床伺服驅(qū)動器位置及速度反饋信息& (n) i，采樣頻率fs，其中，η為樣本長度，下角標(biāo)k的取值為1， e，其中1表示位置反饋信號，e表示速度反饋信號，i表示軸號，i取值為i : (X，y，ζ, A, B, C，U，V, W)；步驟2)，計算參與插補運動的各軸i的速度Vk(J)i加速度Ak(j)i，計算方法為
全文摘要
一種基于位置信息的數(shù)控機床工件加工質(zhì)量在線評估方法，先采集參與插補運動的數(shù)控機床伺服驅(qū)動器位置及速度反饋信息Xk(n)i，采樣頻率fs，再計算參與插補運動的各軸i的速度Vk(j)i加速度Ak(j)i，繪制運動參數(shù)圖譜，然后計算各軸位置反饋信號與速度反饋信號的差值，再計算參與插補運動的各軸速度Vk(j)i、加速度Ak(j)i及進給軸位置瞬時波動值Et(j)i，建立工件系統(tǒng)與刀具系統(tǒng)坐標(biāo)系，作出刀具加工過程空間軌跡圖，然后分析當(dāng)前切削刃位置波動量是否在合格區(qū)域，在合格區(qū)域工件加工過程繼續(xù)進行，超出合格區(qū)域停止加工過程，最后依據(jù)刀具加工過程空間軌跡圖和運動參數(shù)圖譜，分析造成加工誤差超出允許范圍的原因，標(biāo)示加工運動異常區(qū)域，本發(fā)明提高了工件生產(chǎn)效率，減少了廢品率。
文檔編號G05B19/406GK102368156SQ20111032105
公開日2012年3月7日 申請日期2011年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月20日
發(fā)明者姜歌東, 梅雪松, 趙飛, 陶濤 申請人:西安交通大學(xué)