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1 J 本计算方法和机械硬件对机器工作的相关扭矩的判断 I. N. M. K. B. B. 接稿 : 2011 刊发 : 2011 011 摘要 ： 在工业中，当多主轴用于加工操作时，只有旋转式测力计，可用于监测。目前对于大 多数的加工中心而言，商业轮转式测力计笨重，昂贵。基本计算方法和机械硬件需要更小，更符合成本效益的基于转矩加工监视器（ 内拟议装置的扭矩信号检测振动，只有在出现问题时，中央计算机才与之与建立联系。余下的刀具寿命估计和颤检测算法的 发由商业轮转机测力计收集的实验数据分析。设计时，机械的 余的刀具寿命估计从扭矩信号的标准差（或方差）获得。 术法（ 过程检测，只有 一次性从四个样品的基础振动的频率估计上获得。机械组件的 以令人满意的找到加工中的问题，如磨损和振动的估计。该 一个不错的选择，尤其是当多个主轴同时工作在同一工件。 关键词 ： 刀具磨损估计振动检测测力计基于扭矩的加工监视器铣削多轴加工 介绍： 国际竞争迫使许多厂商使用多主轴机床，以提高生产率。国家的最先进的自动化技术，需要监测的自动化生产流程，以保持质量。研究界不断发现新的方法来提高生产率和引进的的判断方法却需要实施低成本传感器的多年工作（ 2002 年 在本文中，计算合理工具和机械扭矩为基础的加工监视器（ 硬件介绍。所有成分旨在保持在最低的成本和计算负荷。拟议 件的性能进行了评估在不同的实验。 今天，大多数厂家使用先进的数控铣床 和车床，保持部分的质量和运营的灵活性。多主轴数控机床已被广泛采用，以进一步提升制造业998; 994）。这些机器使用多个独立的活主轴，以执行一些操作，如攻丝，铣，和钻井同步（ 工程师们已经安装传感 器来以监测刀具状态和零件质量，测量温度，力，振动和电机的电流（ 000; 术研究所， et 2005; 000; 990; 992; et 1995; 996）。使用不同的算法来检测振动，估计刀具磨损，确 2 定断齿审视加工表面质量（ et 2004; et ee 999;000;et 2004; 007; et 2006）。测力计，精确地测量切削力和扭矩在所需方向（ 收集到的数据提供了有价值的信息的加工操作，完整的工具，甚至表面粗糙度的条件。然而，这种方法也有大量的初始投资成本，需要不断地维护和加工系统（明等人， 2005 年 ;贝奈斯。施密茨等人 2006 年）的一部分必须考虑 个对立的概念 与理想传递函数测力计的设计要求完美的调整：最大的刚性，以保持最大的弹性最大的准确度（扭蛋等整个系统的动态 1990 年987 年至 1997 年 ; ; 奥托 2000A， B）。其他一些监测加工操作的低成本替代品，包括主轴的力传感器（ 2002 年军等。），力量戒指（雅伯和 应变计（ 2006 年 密茨等人 2002。 ），压电加速 2006年 压电薄膜 1997 年 弯梁式称重传感器（施密茨等， 2002），轴位移测量工具可以安装主轴和刀具之间的 要比传统测力计的工作空间明显较小，并不需要支持组件。 设计到内部的扭矩信号分析和沟通中央计算机，无线时才发现问题。唯一的计算工具和机械部件的文介绍了。应设计为 子 虑现有的商业组件和合法的通信平台。 在下面的章节中，提出的理论背景，计算工具，机械设计，集成系统的建议操作，实验设置，结果和建议 束。 理论背景 ： 在本节中，标准差，方差， 泽算法术（ 压电陶瓷的压电材料和力测量的字符特征将简要讨论。在这项研究中的加工分析包（ 发利用 实验数据的分析。数据的方差是用下面的公式计算 其中，为标准偏差。习近平是具有 x是对样品的平均水平。很短的时间傅里叶变换（ x（ t）的时间序列 觉信号的时频域特性的变化与下列公式计算： 其中， 的时间和频率。 W 表示数据的不同部分傅里叶变换（ 计算。这就是所谓的翻译窗口。此窗 口的位置是（次）。 托克韦尔（斯托克韦尔等， 1996 年）用一个特殊的窗口。窗口的高度和宽度随频率的改变，同时获得最佳的频率和时域的决议： 3 方程的逆（ 3）提供了原始时间序列 X（ t）， S - 转型提供了出色的信号特征信息 ;但是，它需要许多 单的微控制器或 以在很短的时间内不执行的计算关系和分析。当振动的发展，增长幅度振荡的结构模式之一。 撒的混合进化计算米（ 弗兰克排（ 2010）， 。 （ 1993 年）， 1996 年）的纯正弦波，通过使用下列公式计算的频率和幅度： 其中， 中， F 和一个信号的频率和振幅分别。 压电材料产生时，其原始形状改变施加张力，剪切或压缩锡安（ 际有限公司 2002 年）的费用。所产生的费用是成正比的应变。称重传感器是建立适用于外部负载的一部分，他们的压电元件（ 2005 年图 比斯利。燕等人，2004 年）。匹配电荷放大器可转换成可测量的电压根据选定的增益，线性化系统的特征，并提供用户数时间常数的选择，能够更准确地进行静态或动态测量费。压电 片已没有收费用于测量应变振幅（ 乔普拉 2000。 007 年）。在这种情况下，压电元件，而不是只建立一个负责，就像一个能量收割机使用。降低成本，复杂性和重量测量系统 ;然而，传感器的响应特性受到损害。压电复合材料产生大量的电荷，当他们受到部队（ ， 2007）。其特征的抽动可能会有所调整，选择密度和方向产生更多 力比传统 . 200取数据的最佳选择。不同长度，构成较小的 在 这项研究中，地图是使用 行 谱特性计算，估计从 4 个样品的幅度和频率使用，并模拟该控制器的输出。此外，基本功能和信号处理工具箱的件包被用于估计功率谱（快速傅立叶变换（ ，平方的连贯性，频率响应估计（信号处理 2008）。 刀具剩下的使用寿命估算程序推荐： 4 我们的实验结果确认（请参阅详情“与磨损的扭矩特性的变化”），扭矩增加的时间或后刀面磨损的增长标准差的增量。在这项研究中，采用由两个直线的解析表达式，以防止使用任何指数或其他复杂的功能，这会增 加处理器和程序的大小的计算负载。一个表达式所表示的关系从开始的过渡点，其余刀具寿命，而其他的表达。转折点是在我们的测试工具寿命的 2/3 左右。该控制器的编程，唯一的开始，宁，过渡点和刀具寿命结束的扭矩值是必要的。扭矩的标准偏差和刀具寿命之间的关系，用以下公式表示： 其中， 矩的标准偏差（ T）表示。时间是 t。 应切廷那里的坡度标准差的变化。这一点，可以选择约 2/3 的刀具寿命。在我们的例子中，我们选择了 的刀具寿命为 14,400 小号。其余的工具，生活在任何时间（ 活）（ t）是由下列公式 估 计： 刀具寿命的 T（ 是刀具寿命达到转折点时的扭矩值的标准偏差。要获得方程的系数。 （ 9）和（ 10），用户应收集选定的切削实验数据条件工具，直到完全耗尽。一旦刀具磨损，用户将确定典型的刀具寿命。应选择的围的刀具寿命。应计算的扭矩标准偏差 三例实验的扭矩测量。这些是新的工具时，当刀具到达 工具完全耗尽。 计算 分离自 T = 0 和 T = 定的标准偏差值。同样， 计算标准偏差值确定为 T = T= 数计算该式。 可以用来估计在任何给定的（ T）值选定的切削条件下，保持刀具寿命。建议振动检测程序。建议振动检测算法过滤与高通滤波器，以消除刀刃加工活动所造成的强迫振动的转矩信号。颤振频率是 300 赫兹以上，许多 选定在这项研究中，在 250 赫兹频率和错误操作时。截止频率的信号四阶巴特沃斯幅度估计，如果它是一个纯正弦波所使用。 旋转式测力计 件，而他们固定到主轴和旋转执行加工操作过于复杂和实质性运行，关闭错误预期。此外，通过压电复合材料的电压输出外部测量设备，而 转需要复杂的仪器，并有许多障碍。 目标是处理旋转设备上的数据，并只与固定站沟通时发现问题。调查的 接的信号的特点，创建一个新的程序收集像一个固定的工具和旋转工件的信号端铣。 5 图 1:基于扭矩的加工显示器的机械设计（ 设计（左）的上限和下限的一半，向上显示压电复合圆盘之间的半扩展（右） 电复合材料 子轴承 连接到 4 组钻孔测力机。工具是固定的另一端 有的井测力计螺栓的铣床表。要生成扭矩信号端铣的操作类似，像管工件的准备，减少中间。这程序提醒类似的方法，用于钻井固定工具（吕康 1993）的实验，然而，工件的几何形状被修改为模拟的跨 铣操作的切割。几何 工件图 2。工件重视主轴。在加工，工件旋转第二下移类似演习（图 3）。由于工作一块有状管，在底部的刀刃去掉了立铣刀端铣类似的芯片两个相对较小的差异，为我们的操作应用。第一个区别是我们的芯片厚度不变（图 4）。第二个区别是缺少掘宗塔尔在端铣刀具的相对运动。在我们的的情况下，刀具的切削刃尖不断上 升，相对工件。但是，一般的字符芯片 常相似，刀刃被打断了类似的端铣操作。 综合 作图是预先给出图 5。由于外的 子杂志，唯一的计算工具和机械五金的焦点是已在本文讨论。应单独使用资商业电子 线通信协议，如 蓝牙齿。另外一个红外 发将减少无线通信和干扰。 6 图 2:半管形工件设计，以创建中断切削立铣刀的力量，而工件的旋转加工。尺寸均为毫米 图 3:切割与固定工具，工件的半管端铣操作的模拟 主轴 组件钻井测力计 7 图 4:端铣（简体）（左）与芯片比较。半管形工件的芯片具有恒定的厚度，并创建一个类似的相对运动的 3） at 随后的两个旋转的刀具位置 of 类似运动的工件钻 图 5:监测加工操作使用 多主轴机床 at 该设施的分布式收发信机 本地红外信号发射器 图 6:振动的发生过程中的数据采集实验装置 实验装置 ： 在这项研究中，三个 实 验组独立的测试收集相关数据。在第二实验组工作，振动的发展进行了监测。第三组的实验研究拟议的低成本机械部件的性能监测的扭矩信号。 使用直径 10 毫米观察 4 立铣刀切削力和扭矩的变化，具有耐磨，采用 轴转速为 4,775 割和步骤（径向深度）深度为 1 毫米和 3 毫米。进给速度为 1,050 毫米 /分钟。实验重复 32 次，直到工具磨损。奇 8 石 9123动测力计是连接到同一制造商 5,223 的信号 据采集卡使用。采样率 电荷放大器收集数据，全国仪器在实验中为 10 千赫。切削力和扭矩测量。在 12 秒长的加工周期在每个磨损水平的数据。实验每形成 0 P 高高速数控铣床。研究振动发展，铝工件 米的长度和宽度 米，被切断 。部分的厚度为 5毫米。当部分是附着在桌子上， 米长的路段（平均）仍然可用于加工。加工板顶部有轻微的斜坡开始用 米的切割深度的切割操作，振动和噪音制服的工具之前，留在 7 毫米的深度切割工件与 7 毫米的冲程结束。实验装置如图 6 所示。 实验中采用上一段所提到的 测力机，机床，放大器和数据采集器。 图 7:实验装置图，获得频率响应的 rm in z z 方向向外延伸的扭矩臂 扭矩分析装置， 电压放大器 函数发生器，4 4 分量测力计表， 合压电传感器 大器 ， 字示波器， 66 针转换器， 9 图 8 固定的 4个组成部分的测力计动态测试和压电制动器激发 扭矩臂 图 9:钻井测力计加工测试 数控铣床测试建议 念。主轴转速为 2800 主轴与工件进给速度为5（ 米 /分钟）。切削力和扭矩测量采用 钻井测力计。尼 310与 数字示波器用于监控和保存数据。从柱状 6061 与 30 毫米）直径的工件被切断。工件的内部直径为 2 毫米）。立铣刀的直径为 1/8（ 米）。实验装置如图片 9 所示。 10 结果与讨论： 本节将开始讨论磨损和振动的转矩特性的变化。演算使用的文件建议的程序和建议机械的模拟控制器 设计也将被分别评估 图 10:在 10个不同的磨损水平的扭矩信号的 间轴被压缩。获得后， 0,3,000， 5,340，7620， 9600， 10560， 11 10011,520， 12300， S 分别为 13,320 切割测试之间的时间间隔忽略的信号 图 11:标准差的 100个数据点长的段，建议用两个线性近似分析模型。实验是在不同的时间间隔。 10 个标准偏差值 计算在每个磨损的水平。他们出现在同一垂直线上，实验之间的时间间隔相比，在不同的磨损水平 of on 磨损和编辑数据的线性估计的瞬间变化 扭矩特性的变化。为了简化分析，有代表性的数据集是预先相比从第 1000 扭矩信号的磨损相关的实验样本， 47， .与 31 相同的序列测试。这些信号被收集后，工件被削减为 0， 3,000， 5,340， 7620， 9600， 10560， 11 11 10011,520， 12300， 13,320 和 14160 小号。此编辑 11000 点的数据进行分析。提出的第 10 次测试的信号转换的 0。时间频谱表明，扭矩信号的幅度增加磨损。标准差的 100 个数据点长相同的信号段是图 11。标准偏差也增加了磨损。建议从方程的线性近似线 9）和（ 10）估计的合理准确的扭矩信号的标准偏差。相比于计算的光谱特性，扭矩信号的标准偏差是更加令人满意的磨损和剩余刀具寿命的估计。 振动的检测 切削力和扭矩的在振动发展变化图 12 所示。切削力信号的突然增加的斜坡可检测振动的开始时，扭矩 600 化发展。滤波与高通滤波器截止频率为250 减少整体扭矩信号的受迫振动的影响。信号的频率和幅度估计使用 3 所示。时间 00 和 200赫兹左右的强迫振动情况。扭矩信号的每个数据点的平均值，和 100 频率估计的标准偏差的瞬时频率估计图 14 所示。由于 纯谐波信号的频率估计，几乎符合随机分布的估计频率。 图 12:振动的发展过程中的切削力和扭矩信号的变化 ，切割在数据发展（送纸方向）力变化 动的发展过程中的扭矩信号变化 12 图 13:振动的发展过程中的扭矩信号的 图 14:算法（上图），平均（中图）和 100 个数据的标准偏差的瞬时频率估计指向数据段长 时频率估计 of 均插件的频率估计 13 of 件的标准偏差频率估计 该控制器的模拟性能 剩余刀具寿命估计计算“理论背景”，要评估的建议余下的刀具寿命估计程序的性能提出了程序后，一个新的具有代表性的数据集准备加入从 1000 点段的第二，第五的数据 8 日，与其他具有相同的序列第 32 磨损相关测试。模拟控制器的话，估计剩下的这一套新的工具寿命从先前确定的两个线性模型自动设置而讨论从第一次出现的数据。 工具的实际及估计剩余的使用寿 命如图 15 所示。估计精度是非常合理的，这个考虑的程序的简单性对于实施低成本的 常实用。 图 . 15 建议使用的余下的刀具寿命估计分析线性近似模型 提出的建议振动检测算法的性能如图 16 所示。振动指标上升至 1 时 频率估计的标准偏差低于某一临界值下降的幅度和频率计算，幅度的频率的估算是基于平均值为 100 的 估计。 14 图 . 16 振动测算法的性能。指标（上），振幅（中）和频率估计 of of 制器振动的幅度估计 of 制器振动的频率估计 械部件的性能 设计作为一种低成本的加工操作判断工具。它预计及研究不会有测力计般准确，且耗资超过 30 倍的商业 目标价格。然而，信号 的 许软件来检测加工问题、振动和刀具磨损等。 传感器和测力计的转矩信号进行了比较令人兴奋的 行机构。正如该系统 “建议的振动之三检测程序“，压电致动器推 杠杆而被连接到的 工具结束。 运用到钻井测力机的 测力计的信号进行比较如图 17 所示。表现出相似传感器输出的 钻井测力计的转矩信号（电荷放大器后）的振幅比如图 1 所示 8。可以看出，这比 2 和10 之间变化。如果这个比例是恒定的，用简单的大规模调整， 这两个信号是相同的。相同的输出不能被预期，从 测力计加工操作过程中，它是明确 15 的。 图 . 17 比较 4组件的测力计信号 图 . 18 180680 赫兹的频率范围内传感器和测力计扭矩输出电压比 感器和钻井 测力机的信号被收集在一个在其他学说所述的半加工 管形工件。所建议的振动检测两个信号如图 19 所示。实验分别设定的工件进给速度和主轴转速在 2,800 5（ 米 /分钟，每分钟）。由于传感器的特点 的 测力机是不是在频率相同，信号不相同。我们相信， 足够代表在加工操作的基础上，比较两个信号的判断。预计的的总成本车间使用 监测加速度，位移或声发射是相似的。在这种成本类别， 重要的是， 可靠地工作，甚至当多个主轴上执行相同的工件同时加工操作。 图 20 所示。在频域信号的特点非常相似。我们假设测力计的信号输入和 为一个系统的输出信号的规模和阶段的这样一个系统传递函数的计算方法如图 21 所示。两个信号的连贯性（图 22）表示，特别是在低 频率信号的相似性。 16 图 . 19 扭矩测力计和压电复合材料 图 . 20 测力计的转矩信号的 ）和传感器（下）的 电陶瓷频率范围 17 图 . 21 传统的测力计和频率响应 幅度（ 图 . 22 传统的扭矩信号之间的连贯估计 尔奇连贯性预算 结论： 基于扭矩的加工监视器（ 计算和机械部件，提出监测铣削操作。在余下 的刀具寿命和振动的检测估计的计算工具，开发了基于实验数据的验证。机械组件的 信号研究的特点，提出一个新的实验过程，以获得类似铣削扭矩信号，无旋转工具。专门设计的工件旋转和向下移动，以创建像立铣刀切削力，而工具是固定的代表。这种方法使铣削作业设计的旋转式测力计测试，没有把他们只是放在发展阶段。同样的步骤可以用来研究复杂的仪器，不能旋转铣削操作。有些例子是立铣刀的表面热分布测量与红外摄像机或测量 用激光测振仪的振动变化。在这项研究中， 井测力机上安装且被固定在机床工作台。 计算机硬件的 该是小而强大的工作，而在高转速旋转与平衡的影响最小。如果 产线，它会磨损很快，需要约一年更换。因此，完整的 18 硬件成本应该是今天的研究系统的成本的一小部分。估计其余的刀具寿命和检测振动的建议计算工具是足够简单，使用商用 快速计算。 实验数据表明，扭矩的标准差相关，其余的刀具寿命，可以使用两个线性表达式估计。 算法被用来检测振动，相信提出 念将使低成本的工具，显示器的发展为现代化的生产设施的谐波信号检测。 更新每个样品占主导地位的频率和幅度估计只有最后四个读数。这种方法是更快， 更好的分辨率，只要需要较少比任何其他方法计算的信号是一个纯正弦波。 机械组件的 信号进行了比较研究测力机的转矩信号。兴奋谐波转矩信号时 测力计进行测试的第一个系列。机械组件的 信号的幅度比测力机在不同的频率信号要大 2。虽然测力机的 用压电材料，其设计原则是不同的。机械部件的 矩传感器的压力转换的目的是要创造最大的电力。压电传感器的复合材料，主要是用来作为能源。我们相信的信号保真度以上的妥协设计，但足以最大限度地降低成本。我们决心不会是相同的研究级的旋 转式测力机的转矩电压信号 而，它用于判断目的的准确性将令人满意。 使用所建议的实验铣削加工测试程序同意谐波励磁测试的 机械部件和传感器的钻井测力机的转矩信号的信号不相同，但他们的特点是相似的。快速傅立叶变换（ 信号表明，这两个信号捕获加工操作过程中的扭矩变化的主导频率。 拟议建立的模拟铣削信号的实验过程是非常方便的，信号传递到一个固定的基地，而无需使用昂贵或复杂的手段进行测试判断设备旋转。建议 械组件被发现加工操作的判断是令人满意的。可以完善的 号与数字信号处理的准 确性进一步提高。然而，这种努力可能增加的成本，复杂性和重量打败目的。 我们相信提出 念将使低成本的工具、显示器发展为现代化的生产设施。 以监测使用压电元件的扭矩。其输出可以连续采样与一个振动检测的微控制器。定期可与红外触发信号评估而由 G 代码行执行。一个模拟滤波器可以用来提高数据的准确性。对大众而言，预计生产成本将是，每个元以下。唯一需要的部分是一个加工中心，分发到地板的几个中继，和一个红外线触发器附加到每个机床的中央监控站。设施中的信号强度将是最小的，因为只有当 发现问题时， 与监控站沟通。即使在最苛刻的工作条件， 进行约一年的运作。我们相信在这些报告的基础上，这个概念是可行的。 致谢： 械结构承蒙 a 生制造，在此感谢他的贡献。相关消耗磨损及振动的研究是在 究所完成的。 性能测试是在佛罗里达国际大学进行的。
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