基于數(shù)控機(jī)床主軸電流的刀具磨損測(cè)試系統(tǒng)仿真

胡美君，陳 棟，郭偉剛

（杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院友嘉機(jī)電學(xué)院，浙江杭州 310018）

0 引言

在機(jī)械加工中，刀具的加工狀態(tài)影響加工質(zhì)量。刀具作為數(shù)控機(jī)床加工的重要部件，如果在加工過(guò)程中發(fā)生非正常過(guò)度磨損或損壞，即使被發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)浪費(fèi)了大量工時(shí)，而且對(duì)工件帶來(lái)不可逆的損壞。如果對(duì)刀具狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，當(dāng)?shù)毒甙l(fā)生非正常磨損或損壞時(shí)，及時(shí)停機(jī)和報(bào)警，可以提高加工效率和質(zhì)量。刀具狀態(tài)作為機(jī)床健康診斷的重要參數(shù)之一，具有非常重要意義。近年來(lái)，不少研究人員對(duì)刀具磨損在線檢測(cè)進(jìn)行了大量研究[1-2]。

目前對(duì)刀具磨損狀態(tài)檢測(cè)的方法有很多。有切削力檢測(cè)法，即在主軸上安裝多維力傳感器來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)切削力的變化情況，獲得刀具狀態(tài)。該方法需要改變主軸結(jié)構(gòu)，不太方便；主軸電機(jī)電流變化法則利用切削力的變化會(huì)引起主軸電機(jī)相應(yīng)電流變化的原理[3-4]，對(duì)主軸電機(jī)電流進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，通過(guò)一定算法，提取主軸電機(jī)負(fù)載的變化信息，然后得到刀具磨損狀態(tài)。這種方法比較方便，不需要對(duì)機(jī)床進(jìn)行改造，有利于大規(guī)模推廣。本文利用測(cè)功機(jī)搭建電機(jī)負(fù)載變化模型，通過(guò)改變主軸電機(jī)負(fù)載大小，主軸電機(jī)的電流相應(yīng)發(fā)生變化。

1 系統(tǒng)硬件組成

本研究由制動(dòng)器、主軸電機(jī)、傳感器、上位機(jī)等組成刀具破損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。制動(dòng)器的扭矩輸出軸和電機(jī)主軸通過(guò)柔性聯(lián)軸器聯(lián)接。制動(dòng)器用于模擬負(fù)載加載平臺(tái)，對(duì)主軸電機(jī)進(jìn)行加載，改變主軸電機(jī)的扭矩大小，從而改變其電流。系統(tǒng)中電機(jī)功率為3.7 kW，極數(shù)為2；扭矩轉(zhuǎn)速傳感器為CGQY-3，該傳感器采用應(yīng)變電測(cè)原理，在應(yīng)變軸上加測(cè)速碼盤，可以測(cè)出電機(jī)轉(zhuǎn)速和測(cè)功機(jī)輸出扭矩。制動(dòng)器采用轉(zhuǎn)矩量程為30 N·m的CC-30ZW 電渦流制動(dòng)器。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x型號(hào)為WLK-5A，該測(cè)量?jī)x可以顯示轉(zhuǎn)速和扭矩，并可以對(duì)制動(dòng)器進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)扭矩，也可以利用PLC 對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)控制。上位機(jī)可以顯示電流變化曲線。測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2 仿真分析

2.1 仿真模型

根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，在MATLAB/SIMULINK 中建立仿真模型（圖2）。其電機(jī)參數(shù)值為額定功率3.7 kW，額定電壓380 V，額定轉(zhuǎn)速1500 r/min，定子繞組Rs=0.034 61，Ls=0.044 84 H，轉(zhuǎn)子繞組Rr=0.034 7，Lr=0.044 84H，互感系數(shù)Lm=1.827 H，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.5 kg·m2，阻尼系數(shù)Kd=0，極對(duì)數(shù)P=2。分別對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)子參數(shù)和機(jī)械特性進(jìn)行仿真。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 仿真模型

2.2 三相電流的變化

在電機(jī)啟動(dòng)后1 s，負(fù)載由1 N·m 變?yōu)? N·m。在1 s 處電機(jī)轉(zhuǎn)子電流進(jìn)行重新分配，變大，這說(shuō)明當(dāng)電機(jī)負(fù)載增大時(shí)，轉(zhuǎn)子電流相應(yīng)增大。電流峰值達(dá)到4.3 A，RMS 值為3.05 A。

2.3 電流峰值和RMS 值的變化

當(dāng)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，增加制動(dòng)器的扭矩，則電流也隨之增加。表明當(dāng)?shù)毒吣p或破損后，由于切削量的改變，導(dǎo)致主軸電流增大。

3 結(jié)論

通過(guò)制動(dòng)器模擬電機(jī)負(fù)載的變化，對(duì)數(shù)控機(jī)床主軸電機(jī)電流進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果顯示，對(duì)主軸電機(jī)電流的監(jiān)測(cè)，確實(shí)可以得到作用在主軸電機(jī)上負(fù)載的變化信息；通過(guò)主軸電機(jī)上負(fù)載的變化信息，可以推斷出刀具磨損的程度。文中仿真得到的有關(guān)數(shù)據(jù)和信息，可以給機(jī)床刀具在線檢測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)化提供一定借鑒意義。