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复杂加工工件智能自适应加工及智能刀具系统研究

发布者: 凌峰 | 发布时间: 2018-10-12 17:13| 查看数: 168| 评论数: 0|帖子模式

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复杂加工工件智能自适应加工及智能刀具系统研究
王宏颖,彭二宝
河南工业职业技术学院;武汉理工大学
摘要:针对机加工主轴旋转的刀具切削力和切削热不易测量等缺点,对智能电主轴系统进行设计,布置压电薄膜测力和涂层薄膜温度传感器位置,并研究智能电主轴对切削工艺参数智能感知及自适应控制;研究智能刀具系统并进行设计,在铣刀钻刀排屑槽镀薄膜温度传感器,并使用电滑环把信号线引出,解决了旋转刀具直接测量切削温度的难题;最后通过构建可重构智能切削数据库,存储采集切削感知数据,优化加工工艺,并能够对加工过程进行远程在线监控。
关键词:智能电主轴;智能切削;智能刀具;检测;软机电一体化
1 引言

随着新一代工业革命(工业4.0)浪潮的到来,世界各国意识到智能制造的重要性,纷纷把智能制造列为国家发展战略。中国科学院院长路甬祥[1]指出绿色制造、智能制造是未来战略性新兴产业的“关键词”,绿色和智能制造成为机械制造业产业结构升级和优化的必由之路。北京航空制造所邹方[2]认为未来要在实时、可靠、高效、低成本基础上解决智能制造所需的传感器技术、网络技术、人工智能技术,将已有的通信设施、互联网资源、个人数字化设备终端连入未来工厂中。智能制造装备集成制造、信息、互联网和人工智能等技术是未来高端装备制造业的重点发展方向[3,4]。切削作为目前制造业主要的加工方式,智能切削在智能制造上将占据主导地位,利用新技术创新性地改造传统机床加工方式将是现阶段智能制造的核心问题。

基于智能电主轴的智能切削系统主要由智能电主轴系统、智能刀具系统、智能感知系统和切削数据库系统构成,集成了金属切削理论、控制理论、计算机网络、电子通信和大数据处理等技术,是新一代智能制造理论。本文针对铣削、钻削和磨削等主轴旋转的刀具切削力和切削热不易测量等缺点,提出一种基于智能电主轴的直接测力测温方法的智能切削加工方法。通过探索加工过程力、温度智能检测及控制,加工过程工件变形及加工质量控制,多信息融合的工艺参数优化策略,可重构加工数据库构建及工艺参数大数据挖掘等关键技术,从而实现加工工艺智能感知和加工工艺的自适应控制,开发具有高度智能的软机电一体化智能制造系统。

2 智能电主轴系统

把压电薄膜传感器装置在电主轴上,通过实时感知电主轴力的大小来感知刀具的切削力大小。电主轴感知切削力主要通过把压电薄膜放在主轴上来感知轴向切削力,通过把压电薄膜放在主轴轴承内圈或外圈来感知垂直主轴方向。压电薄膜传感器采集的信号经过信息调理后,发送到控制决策系统中,决策系统通过力的大小及检测工件的加工质量来调整切削主轴的转速、进给量和背吃刀量等工艺参数,实现铣床和磨床的智能感知加工。

图1为智能电主轴智能切削流程图,自适应控制器根据加工工件自适应地选择加工工艺参数控制智能电主轴,智能电主轴能够感知智能刀具切削力通过自适应控制器调整电主轴的转速、进给量等工艺参数,检测感知单元通过激光、振动、位移、超声波等传感器感知加工工件表面粗糙度、工件颤振、工件变形及表面残余应力等工件加工表面完整性参数,然后把感知的信号发送到自适应控制器中,控制器依据切削数据库自适应地调整主轴切削工艺参数;自适应控制器可通过控制智能夹具来控制工件的夹紧力,从而控制工件的变形;用户可以通过web浏览器访问切削数据库,远程控制切削加工过程。

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[size=0.8em]图1 智能电主轴智能切削流程图

智能电主轴系统设计是基于现有电主轴构造特点,设计与之配合的测力传感器结构。研究电主轴上测力传感器和振动传感器的安装布局,研究测力传感器的标定算法,验证集成测力传感器与振动传感器的智能主轴性能,实现基于智能电主轴的全加工轨迹的力和振动信号的实时采集,解决在实际工况中受空间尺寸和加工条件限制而使得传感器信号难以有效采集的问题[5]。智能电主轴系统主要构成如图2所示,实际工况工艺参数通过放置在电主轴上的测力和振动传感器采集加工工艺参数,然后发送到后续处理控制单元。

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[size=0.8em]图2 基于智能电主轴的加工信号实时采集方法[5]

智能电主轴通过把在电主轴内部制备压电薄膜传感器或振动传感器来实现复杂部件加工的智能感知加工。振动传感器一般放置在前后轴承的支座上,轴向传感器可以放置在主轴与刀具连接处。若使用内置式传感器,测力传感器位置布置可以与振动传感器位置相同;若使用压电薄膜涂层传感器可以把薄膜镀在前后轴承或轴承座上,轴向力的测量可以镀在轴的前端与刀具连接处。电主轴温度测量传感器的放置可以把传感器放置在油液中实时感知电主轴的温度。

高速电主轴的结构原理见图3。通过智能电主轴系统采集的信号实现多目标工艺参数的在线优化。其方法主要是通过响应曲面法建立以材料去除率、工件变形量和无颤振加工为多优化目标,进给率和主轴转速为优化变量的工艺参数优化模型,确定加工参数的最优选取域来指导实际加工,实现高效高质量加工。考虑建立以材料去除率、工件变形量和无颤振为多优化目标,进给率和主轴转速为优化变量的优化模型,确定最优工艺参数选择域,对复杂薄壁件加工过程工艺参数在线优化以指导实际加工。基于响应曲面模型的多目标加工参数优化流程见图4。

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[size=0.8em]图3 高速电主轴的结构原理图[6]

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[size=0.8em]图4 基于响应曲面模型的多目标加工参数优化[5]

针对复杂加工工件变形在线监测与工艺参数优化,研究刀具运动状态、瞬时切削厚度和加工变形间的耦合关系,建立复杂薄壁件加工多因素耦合态的切削力模型。基于实时振动信号和循环谱分析对颤振进行有效辨识和在线监测,研究复杂切削路径下颤振的产生域及变化机理。通过对实时动态切削力分析和切削力模型,研究工艺参数优化的网络模型和加工控制技术。对实时振动信号和循环谱分析实现加工过程中颤振的有效辨识和在线监测。

3 智能刀具系统

3.1 智能刀具切削温度在线检测技术

图5为人工热电偶法测量切削温度示意图。大连理工大学朱亚民[7]采用磁控溅射技术制备了用于测量切削温度的薄膜温度传感器,对传感器进行设计、标定及切削温度测量试验。试验结果表明,传感器(见图6)动态响应能力好,能够实现切削温度动态测量。

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[size=0.8em]图5 人工热电偶法测量切削温度示意图[7]

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[size=0.8em]图6 动态切削温度及切削力传感器安装示意图[6]

基于以前的研究成果,分析高速旋转铣刀在线测温方法,通过在铣刀排屑槽磁控溅射技术制备测温薄膜,对刀具进行设计时排屑槽加工暗槽以便引出导线,在刀具后面安装一个无线发射模块来发送刀具的温度信号,以实现高速旋转刀具的温度测量,解决切削加工在线检测的难题。

3.2 智能刀具切削力在线检测技术

传统的切削力测量一般使用外加测力设备,具有安装不方便、价格昂贵等缺点,并且很难将测量力的变化反馈到加工的工艺参数调整[8]。新一代智能制造不仅能够实时采集切削力,而且能够通过切削力实时控制主轴转速、进给量等工艺参数从而能够采用最优的工艺参数进行加工。新一代智能刀具切削力检测利用微薄膜的压电或压阻效应,将传感器集成在刀具系统上,传感器体积小,灵敏度高,有利于刀具系统集成化,可显著提高实用性[8]。将压电薄膜传感器集成在硬质合金刀片中,感知切削过程中的主切削力,并将该刀具系统应用于自适应加工中。虽然集成传感器结构紧凑、集成化高,但面临着切削过程中切削热的严重影响,导致信息失真和失效的情况。为此,将传感单元集成在刀杆上成为一种工作可靠、集成化和准确性均不错的选择。将刀具系统从目前单一的执行器向具有感知—执行智能系统方向转变,进一步提高超精密切削加工的能力和智能化水平,在此基础上提出了智能切削刀具系统的基本思想和设计原则。

英国Brunel大学Chengkai[9]研究基于智能自适应加工的刀具。如图7所示,通过把压电薄膜测力传感器嵌入到刀具和基底上,在切削过程中,传感器实时感知刀具切削力的大小,通过加工的工艺参数来判断所需要的切削力,自适应地减少进给量或增加主轴速度,从而对工艺参数智能地感知和调整。

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[size=0.8em]图7 智能刀具设计结构[9]

哈尔滨工业大学肖才伟[10]研究感知式智能切削刀具,并通过改变感知段横截面的构型和感知单元的安装方式和可转位刀具的设计,提高刀具的刚度、灵敏度和实用性,还研制了一种超声振动感知式智能切削刀具。

哈尔滨工业大学李文德[11]研究基于声表面波原理的切削力测量智能刀具,经过试验基于声表面波原理的切削力测量智能刀具能够实现切削力的实时测量。该测量方法具有无线、无源的测量优势,能够适应复杂的加工环境。图8为基于声表面波原理的切削力测量的智能刀具试验系统。

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[size=0.8em]图8 切削力测量刀具试验系统[11]

以上研究仅针对车床,不能应用于铣床和磨床中,本研究通过把压电薄膜传感器装置在电主轴上,通过实时感知电主轴力的大小来感知刀具的切削力大小。电主轴感知切削力主要通过把压电薄膜放在主轴上来感知轴向切削力,通过把压电薄膜放在主轴轴承内圈或外圈来感知垂直主轴方向。压电薄膜传感器采集的信号经过信息调理后,发送到控制决策系统中,决策系统通过力的大小及检测工件的加工质量来调整切削主轴的转速、进给量和背吃刀量等工艺参数,从而实现铣床和磨床的智能感知加工。

4 可重构智能切削数据库系统

可重构智能切削数据库系统具有可重用性和智能性。可重构数据库能够灵活地根据需要重新应用已有代码,提高代码利用率。切削数据库可以采集存储工艺数据,优化工艺参数,并且能够实现加工远程监控。根据加工工件来优化选择刀具材料、刀具几何参数、刀具结构、切削参数和机床等切削数据,建立切削数据库,向机械制造业提供合理或优化的切削用量,并且未来的切削数据库研究方向将向集成化、智能化、实用化、网络化和标准化方向发展[12]。

智能电主轴可重构智能切削数据库系统是根据智能电主轴采集的切削力、刀具温度等参数存储在数据库中,通过优化算法和数据挖掘算法优化挖掘工艺参数,然后自适应控制电主轴转速、进给量、背吃刀量等工艺参数,来智能感知切削工况,自适应控制切削参数。图9为切削数据库访问原理图,采集层采集智能电主轴和智能刀具检测参数,工控机自适应地调整工艺参数使加工工艺参数达到最优,切削数据库存储工艺参数供使用人员远程调用,用户可通过浏览器远程优化监测加工工艺参数。

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[size=0.8em]图9 切削数据库远程访问原理图

5 结语

基于绿色和智能制造的机械制造观念,针对铣削、钻削和磨削等主轴旋转的刀具切削力和切削热不易测量等缺点,对智能电主轴系统、智能刀具进行设计以实现智能电主轴对切削工艺参数智能感知及自适应控制和旋转刀具直接测量切削温度;构建可重构智能切削数据库,存储采集切削感知数据,优化加工工艺,并能够对加工过程进行远程在线监控与智能控制。

参考文献
[1]路甬祥.走向绿色和智能制造——中国制造发展之路[J].国内外机电一体化技术,2010(2):379-386.
[2]邹方.智能制造中关键技术与实现[J].航空制造技术,2014(14):32-37.
[3]傅建中.智能制造装备的发展现状与趋势[J].机电工程,2014,31(8):959-962.
[4]朱剑英.智能制造的意义、技术与实现[J].航空制造技术,2013,42(3):1-6.
[5]丁悦.复杂型面薄壁件加工变形在线监测与参数优化[Z].
[6]康辉民.高速电主轴静动态性能分析与试验检测技术[D].重庆:重庆大学,2010.
[7]朱亚民.薄膜温度传感器的研制[D].大连:大连理工大学,2007.
[8]Chao Wang,Ricard Rakowski,Kai Cheng.Design and analysis of a piezoelectric film embedded smart cutting tool[J].Journal of Engineering Manufacture,2013,227:254-260.
[9]Wang C,Ghani S B,Cheng K,et al.Adaptive smart machining based on using constant cutting force and a smart cutting tool[J].Journal of Engineering Manufacture,2012,227:249-253.
[10]肖才伟.基于切削力感知的智能切削刀具设计及其关键技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2014.
[11]李文德,丁辉,程凯.基于声表面波原理的切削力测量智能刀具研究[J].机械制造与自动化,2014(5):46-50.
[12]刘战强,黄传真,万熠,等.切削数据库的研究现状与发展[J].计算机集成制造系统,2003,9(11):937-943.
[13]喻秀.智能切削数据库及其数据挖掘技术的研究[D].天津:天津大学,2010.

第一作者:王宏颖,博士研究生,副教授,武汉理工大学机电工程学院,430070武汉市

FirstAuthor:WangHongying,DoctoralCandidate,AssociateProfessor,SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China

Research on Intelligent Adaptive Processing Strategy and Intelligent Cutting Tool System of Complex Machining Workpiece
Wang Hongying,Peng Erbao
Abstract:In view of some difficult measurement faults of cutter cutting force and cutting heat for the milling,drilling and grinding spindle rotating,intelligent electric spindle system was designed,the piezoelectric thin film measuring forces and coating film temperature sensor position was arranged,and intelligent electric spindle for intellisense and adaptive control cutting process parameters were studied.Secondly,intelligent tool system and it’s design was studied.Thin film temperature sensor was plated in diamond cutter knife discharge chute,and electricity slip ring was used to derive signal,the difficult problem of measured temperature about rotary cutting tool are solved.Finally,by building a reconfigurable intelligent cutting database,cutting perception data was stored,the processing technology was optimized,and the remote online monitoring of machining process was carried out.
Keywords:intelligent electric spindle; intelligent cutting; intelligent cutting tools; detection; soft mechanical and electrical integration
收稿日期:2015年10月
中图分类号:TG71;TH161;TP391.73
文献标志码:A

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