李 康，黃 民，吳國(guó)新，姜召才

(北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192)

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基于變頻器輸入電流的刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

李 康，黃 民，吳國(guó)新，姜召才

(北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192)

為了使電流信號(hào)監(jiān)測(cè)刀具磨損狀態(tài)的可靠性提高。首先研究了變頻器輸入電流與刀具磨損狀態(tài)的相關(guān)性，并根據(jù)電流有效值定義提出一種計(jì)算變頻器輸入側(cè)線電流的方法。結(jié)合該方法分析軟件和硬件的需求后，采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)主板、USB-4711A采集卡以及霍爾電流傳感器搭建硬件平臺(tái)，以Qt作為軟件開發(fā)框架，設(shè)計(jì)研發(fā)了一套在線刀具磨損狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可應(yīng)用于多種數(shù)控機(jī)床設(shè)備。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)能夠反映刀具磨損狀態(tài)，及時(shí)發(fā)出更換刀具提醒。

變頻器；電流；刀具磨損；監(jiān)測(cè)

0 引言

在機(jī)械加工過程中刀具會(huì)因磨損導(dǎo)致逐漸失效，若不及時(shí)更換刀具就會(huì)造成加工質(zhì)量降低，產(chǎn)品廢品率提高，嚴(yán)重時(shí)甚至損壞機(jī)床，造成生產(chǎn)事故[1]。目前的數(shù)控機(jī)床已經(jīng)能夠準(zhǔn)確判斷自身或加工過程中的出現(xiàn)的多種故障，并通過一定的方式自動(dòng)排除故障。但在刀具的磨損狀態(tài)方面卻主要靠工人經(jīng)驗(yàn)，并且需要停機(jī)觀察才能判斷刀具的磨損程度，這就阻礙了自動(dòng)化程度的提高，降低了生產(chǎn)效率。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在加工過程中有75%的故障是有刀具失效引起的[2]。若能實(shí)現(xiàn)刀具磨損狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)對(duì)降低廢品率，提高生產(chǎn)效率，促進(jìn)自動(dòng)化進(jìn)程十分有利[3]。

目前，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)的方式主要分直接監(jiān)測(cè)和間接監(jiān)測(cè)兩類[4]。對(duì)于直接法，因其需要停機(jī)獲取刀具的磨損參數(shù)，所以在自動(dòng)化系統(tǒng)中一般不予采用[5]。對(duì)于間接測(cè)量法，因可在線測(cè)量，不影響加工過程，被國(guó)內(nèi)外廣泛采用。

使用電流信號(hào)測(cè)量刀具磨損狀態(tài)是常用的一種間接測(cè)量方法，但目前多數(shù)研究都采用主軸電機(jī)或進(jìn)給電機(jī)電流信號(hào)等變頻器輸出側(cè)電流信號(hào)。而變頻器的輸出側(cè)電壓由于采用SPWM調(diào)制處于不斷變化之中，在功率一定的情況下，輸出側(cè)電流將隨電壓變化，導(dǎo)致刀具磨損狀態(tài)判斷不夠準(zhǔn)確。變頻器輸入側(cè)電壓值固定，因此該側(cè)測(cè)量電流信號(hào)，不僅能夠解決該問題，還將主軸電機(jī)和進(jìn)給電機(jī)電流信號(hào)一并納入測(cè)量，從而提高使用電流信號(hào)監(jiān)測(cè)刀具磨損狀態(tài)的可靠性。

1 監(jiān)測(cè)原理

數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要分為主軸電機(jī)和進(jìn)給電機(jī)兩大類。隨著技術(shù)的發(fā)展，不論是主軸電機(jī)還是進(jìn)給電機(jī)都開始使用伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，并且伺服電機(jī)統(tǒng)一由變頻器控制。如圖1所示。

圖1 數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)電路示意圖

若從變頻器輸出側(cè)測(cè)量所有電機(jī)電流，因伺服電機(jī)采用三相電源供電，所以至少需要12個(gè)電流傳感器，大大增加設(shè)備成本。但變頻器輸入側(cè)電壓固定，電流的大小將很大程度上取決于變頻器輸出側(cè)負(fù)載的需求。因此可從變頻器輸入側(cè)測(cè)量電流信號(hào)，并且僅需要3個(gè)電流傳感器即可。圖2為采用鉗式電流表測(cè)量的三種工作狀態(tài)下主軸電機(jī)電流信號(hào)和變頻器輸入側(cè)電流信號(hào)。其中前兩次未進(jìn)行切削，第三次切削時(shí)所用工件材料為45號(hào)鋼，刀具為高速鋼銑刀HSS-AL。

(a)主軸電機(jī)三相電流值

(b)變頻器輸入側(cè)三相電流值圖2 主軸電機(jī)和變頻器輸入側(cè)電流信號(hào)比較

從圖中可以看出，變頻器輸入側(cè)電流信號(hào)與主軸電機(jī)電流信號(hào)具有相關(guān)性。不同的是與改變主軸空轉(zhuǎn)速度相比變頻器輸入側(cè)電流信號(hào)在進(jìn)入切削狀態(tài)時(shí)變化更為明顯。而主軸電機(jī)電流信號(hào)卻正相反。同樣變頻器輸入側(cè)電流信號(hào)也與進(jìn)給電機(jī)電流信號(hào)具有相關(guān)性。北京理工大學(xué)王軍政等人利用主軸電機(jī)電流實(shí)現(xiàn)了對(duì)刀具磨損和破損的判斷[6]；J.M.Lee等人通過對(duì)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流信號(hào)與切削力信號(hào)關(guān)系的研究，證實(shí)了二者具有高度相關(guān)性[7]。因此變頻器輸入側(cè)電流也能在一定程度上反應(yīng)刀具磨損狀態(tài)。

圖3 變頻器輸入側(cè)U相線電流信號(hào)

變頻器輸入側(cè)電流信號(hào)如圖3所示 ，受變頻器高次諧波對(duì)電網(wǎng)中的電流的影響，輸入側(cè)電流信號(hào)不再是標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)波形[8]。使用目前在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)廣泛采用的RMS值計(jì)算電流有效值結(jié)果如圖4所示[9-10]?？梢钥闯鯮MS值并不適合用來計(jì)算變頻器輸入側(cè)電流有效值。

圖4 使用RMS方法計(jì)算的電流有效值

為了能計(jì)算變頻器輸入側(cè)電流有效值，從電流有效值的定義出發(fā)，提出了一種計(jì)算方法。單相電的電流有效值計(jì)算公式為:

(1)

對(duì)其進(jìn)行離散化則有:

(2)

式中,n為積分周期T內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)。因變頻器工作時(shí)應(yīng)三相平衡，即三相線電流理應(yīng)相等，所以可以取三相線電流有效值的平均值作為變頻器輸入側(cè)的電流有效值。

(3)

式中，I1、I2、I3分別為U、V、W三相的電流有效值。根據(jù)公式(2)、式(3)計(jì)算結(jié)果如圖5所示。可以看到電流在10s左右開始增加，這是因?yàn)榈毒唛_始進(jìn)入銑削。

圖5 變頻器輸入側(cè)電流有效值

2 系統(tǒng)硬件組成

刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在硬件方面主要包括顯示輸入模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、采集通信模塊和傳感器模塊，其結(jié)構(gòu)布局如圖6所示。為減小體積，方便安裝與攜帶，采用觸摸屏輸入方式。并將顯示輸入模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和采集通訊模塊集成于機(jī)箱內(nèi)。

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)布局

顯示輸入模塊由液晶顯示屏和觸摸屏兩部分組成；數(shù)據(jù)處理模塊直接選用模塊化的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)主板；采集通訊模塊采用研華USB-4711A采集卡，其中5路數(shù)字輸入用以接收機(jī)床發(fā)出的8421BCD編碼信號(hào)，定時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)床工作狀態(tài)；傳感器采用CHK-100R1開環(huán)霍爾電流傳感器。

3 系統(tǒng)軟件

軟件采用跨平臺(tái)的Qt為開發(fā)框架[11]，軟件整體架構(gòu)分為類庫(kù)驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)處理和用戶界面三層，各模塊依賴關(guān)系如圖7所示。

圖7 軟件框架

軟件總共分為三個(gè)功能界面:首頁、數(shù)據(jù)采集和刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)。啟動(dòng)主要流程圖如圖8a。首頁顯示軟件的相關(guān)信息，數(shù)據(jù)采集頁可配置相關(guān)采集參數(shù)，采集標(biāo)準(zhǔn)加工的電流信號(hào)。刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)頁將當(dāng)前電流信號(hào)與采集的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，超出設(shè)定閾值時(shí)發(fā)出警報(bào)，從而達(dá)到刀具磨損狀態(tài)檢測(cè)的作用。為了能夠快速的處理大量的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集頁和刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)頁均采用多線程技術(shù)，以刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)頁為例，軟件流程圖如圖8b。

圖8 軟件流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果

為對(duì)系統(tǒng)測(cè)試，將其應(yīng)用于VDL-600A立式數(shù)控加工中心進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件如下：工件為45鋼；刀具為直徑10mm的三齒高速鋼銑刀HSS-AL；主軸轉(zhuǎn)速為1200r/m；進(jìn)給速度50mm/m；背吃刀量1mm；側(cè)吃刀量8mm；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

首先采集刀具為輕度磨損時(shí)變頻器輸入側(cè)的電流信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，設(shè)置好軟件參數(shù)后采集數(shù)據(jù)如圖 10所示。圖中曲線即為經(jīng)計(jì)算后的變頻器輸入側(cè)電流的有效值。

圖10 采集數(shù)據(jù)

更換磨損較為嚴(yán)重的刀具，切換軟件到刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)頁面，加載之前采集的數(shù)據(jù)，并設(shè)置警戒線參數(shù)為0.5。啟動(dòng)機(jī)床使之執(zhí)行同一段加工代碼，同時(shí)啟動(dòng)軟件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)過程如圖11所示。

圖11 刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)

圖中可以看到，輕度磨損的刀具在切削過程中變頻器輸入側(cè)電流先升高而后下降，但當(dāng)使用磨損較為嚴(yán)重的刀具銑削時(shí)，電流上升后并沒有下降，當(dāng)電流有效值超過設(shè)置的警戒線時(shí)，軟件就會(huì)提示“刀具磨損嚴(yán)重，請(qǐng)更換刀具！”。

采集主軸電機(jī)和變頻器輸入側(cè)電流信號(hào)，經(jīng)相同處理后結(jié)果如圖12所示?？梢钥闯霎?dāng)?shù)毒吣p時(shí)，變頻器輸入側(cè)電流信號(hào)變化更加明顯，易于監(jiān)測(cè)。

圖12 主軸電機(jī)和變頻器輸入側(cè)電流信號(hào)對(duì)比

5 結(jié)束語

本文在研究了變頻器輸入側(cè)電流的與刀具磨損狀態(tài)相關(guān)性的基礎(chǔ)上，提出了一種從變頻器輸入側(cè)電流信號(hào)監(jiān)測(cè)刀具磨損狀態(tài)的方法。并根據(jù)該方法設(shè)計(jì)和編寫了刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件和軟件。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該方法比傳統(tǒng)方法信號(hào)變化更加明顯，易于監(jiān)測(cè)；系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)刀具磨損狀態(tài)，在刀具磨損嚴(yán)重時(shí)發(fā)出警告提示。并具有較好的穩(wěn)定性，有助于提高加工質(zhì)量和自動(dòng)化程度。

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(編輯 李秀敏)

Design and Implementation of Tool Wear Condition Monitoring System Based on Inverter Input Current

LI Kang, HUANG Min，WU Guo-xin, JIANG Zhao-cai

(School of Mechanic and Electric Engineering, Beijing Information Science & Technology University, Beijing 100192, China)

In order to increase the reliability of current signal monitoring tool wear condition, the correlation between inverter input current and tool wear condition was studied firstly. Then, according to definition of current virtual value, a new method about how to calculate line current on inverter input side was defined. With this method, a real-time online system for monitoring tool wear condition was designed and implemented after analyzing the requirements of hardware and software. In this system, the board of IPC, USB-4711A DAQ card and Hall current sensor was used for building hardware platform, and the software was designed by using Qt framework. The system can be mounted on a variety of CNC equipment. The experimental results show that the system can reflect the tool wear condition, and remind to change tool timely.

inverter; current; tool wear condition; monitoring

1001-2265(2017)06-0090-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.06.023

2016-08-15；

2016-10-02

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”(2013ZX04011-012)

李康(1990—)，男，山東青島人，北京信息科技大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)電系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷，(E-mail)likangqd@163.com；通訊作者：黃民(1965—)，男，江蘇徐州人，北京信息科技大學(xué)教授，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)電系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷，(E-mail)Hm_cumt@sina.com。

TH117；TG659

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