一种精确监测机床主轴切削功率的方法及监测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种精确监测机床主轴切削功率的方法及监测系统，属于机械制造技术领域。本发明专利技术的监测方法，先对机床类型与主传动系统组成结构进行识别制定合适的动载荷损耗系数α计算方法，其次对不同转速下机床空载功率P

A method and monitoring system for accurately monitoring the cutting power of machine tool spindle

【技术实现步骤摘要】
一种精确监测机床主轴切削功率的方法及监测系统
本专利技术涉及机械制造
，更具体地说，涉及一种精确监测机床主轴切削功率的方法及监测系统。
技术介绍
近几年来，随着绿色制造等口号的提出，提高机械加工系统能量效率成为了节能、减排、绿色制造研究的重要内容。对机床进行能能量效率评估的关键在于实时采集机床用于切削的能耗，切削功率Pc是机床主轴带动刀具切削工件材料时损耗的功率，因而切削功率Pc是衡量切削能耗的重要参数，获得精确的切削功率具有重大意义。目前，切削功率监测方法主要是通过功率传感器直接从机床控制箱中直接监测或者间接监测。其中，直接监测是依据于Pt＝Pi+Pu+Pc这一公式，对机床主轴输入功率进行分离，但输入功率的采集过程容易引入干扰，降低监测的精准性。其中，Pt为机床主轴输入功率，Pi为空载功率，Pu为附加载荷损耗功率。间接监测的切削功率Pc是通过对切削功率Pc经验公式中的系数进行数据拟合计算后，代入经验公式再通过测量的机床主轴输入功率Pt计算出切削功率Pc。如名称为一种数控机床切削功率在线估计方法(《机床与液压》，2014年1月，第42卷第1期)的中国期刊文件，该文件公开了一种不需要测量切削力而通过主轴电机输入功率间接在线估计切削功率的方法。该方案通过实验方法得出被测机床主传动系统的附加载荷损失功率特性函数，然后再通过实时测量主轴电机输入功率结合主轴系统的附加载荷损耗特性计算出切削功率。也如专利技术创造名称为基于最小二乘迭代算法的机床工步能耗监测方法(申请号为2016102747776)的中国专利文件。该申请案的监测方法，包括如下步骤：一：收集机床的主传动系统输入功率，并对输入功率信号进行滤波处理；二：通过机床主传动系统输入功率数据的分析，判定机床在线运行状态；三：通过测量机床主轴实时功率，结合机床主传动系统的功率平衡方程和附加载荷损耗特性估计出切削功率，建立合理的切削耗能模型，达到机床切削功率的在线估计；四：用基于最小二乘迭代算法的机床附加损耗函数系数的离线辨识算法，求取机床切削功率参数。但实际使用时发现，利用上述方法进行切削功率Pc的间接检测时，并不考虑机床类型与主传动系统的组成结构，均是将动载荷损耗系数代入Pt＝Pi+Pu+Pc，然后间接地计算出Pc，步骤繁琐，计算复杂，不适用于机床类型与主传动系统组成结构不同的机床，具有局限性，因此监测出的切削功率Pc误差较大。
技术实现思路
1.专利技术要解决的技术问题本专利技术的目的在于克服现有技术中机床主轴切削功率监测不能随机床类型与主传动系统组成结构改变进行调整，造成监测结果误差较大的不足，提供一种精确监测机床主轴切削功率的方法。本方案对机床类型与主传动系统组成结构进行识别，采用最小二乘法计算出附加载荷损耗功率Pu与切削功率PC的比值动载荷损耗系数α，并根据计算出切削功率Pc，因而提高了监测所得结果的精确度。本专利技术的另一个目的在于提供一种机床主轴切削功率的监测系统，结构简单，操作方便，所得到的监测结果较为精确。2.技术方案为达到上述目的，本专利技术提供的技术方案为：本专利技术的一种精确监测机床主轴切削功率的方法，其包括以下步骤：步骤一、对机床类型与主传动系统组成结构进行识别；步骤二、将功率传感器一端接入机床控制箱主轴电路，另一端接入数据处理计算机；开启机床，将机床主轴的转速设为预设值；步骤三、使用功率传感器采集主轴的空载功率原始信号Pi’，并对所得到的数据进行滤波处理，获得与空载功率原始信号Pi’所对应的空载功率Pi；步骤四、使用功率传感器采集机床在步骤三中对应的转速下进行切削时的输入功率原始信号Pt’，并对所得到的数据进行滤波处理，获得与输入功率原始信号Pt’所对应的输入功率Pt；步骤五、调节机床主轴的转速，重复步骤三和步骤四，获得主轴在不同转速下的空载功率Pi和输入功率Pt，其中，若机床在切削时有辅助系统工作，则还需测量辅助功率Pf；步骤六、根据步骤一所识别的机床类型与主传动系统组成结构，选择所匹配的动载荷损耗系数α计算公式，使用最小二乘法计算动载荷损耗系数α，其中，当机床为普通机床时，计算公式为当机床为数控机床时，其中，Pu为附加载荷损耗功率，Pc为切削功率，c、α1和α0均为常数；步骤七、根据步骤五所获得的空载功率Pi和输入功率Pt，以及步骤六所获得的动载荷损耗系数α，计算出在不同转速时机床主轴的切削功率Pc；其中，对于普通机床：对于带有辅助系统的普通机床对于数控机床：对于带有辅助系统的数控机床：进一步地，所述步骤二中，采用基于小波包的防脉冲干扰滑动平均滤波对空载功率原始信号Pi’进行滤波处理，并获得该转速下所对应的空载功率Pi；所述滤波处理具体包括以下步骤：S21、在相同转速下，每间隔一段时间，通过功率传感器采集包含噪声干扰的主轴空载功率原始信号Pi’，获得多个数据组成的第一集合，选择合适的小波并确定小波包分解层数，对所述第一集合内的数据进行小波包分解；S22、计算最佳树，选取合适的阈值对小波包分解系数进行阈值量化，根据分解系数重构所述第一集合内的数据，获得由多个数据组成的第二集合；S23、将所述第二集合的前n个数据置入队列存储器M[n]；S24、将所述第二集合的第n+1+i个数据置于队列存储器M[n]的队尾，并丢弃队首的1个数据，其中，i为已经执行S24的次数；S25、丢弃所述队列存储器M[n]中数值最大的数据和数值最小的数据，求取剩下的n-2个数据的平均值；S26、判断所述第二集合内的数据是否已全部处理，若未处理完，返回步骤S24；若处理完，则输出步骤S25中所获得的平均值为S21中所述转速所对应的空载功率Pi。进一步地，所述S23中，n的取值范围为3～14。进一步地，所述步骤三中，采用基于小波包的防脉冲干扰滑动平均滤波法对输入功率原始信号Pt’进行滤波处理，并获得所对应的输入功率Pt；所述滤波处理具体包括以下步骤：S31、在相同转速下，每间隔一段时间，通过功率传感器采集包含噪声干扰的输入功率原始信号Pt’，获得多个数据组成的第三集合，选择合适的小波并确定小波包分解层数，对所述第三集合内的数据进行小波包分解；S32、计算最佳树，选取合适的阈值对小波包分解系数进行阈值量化，根据分解系数重构所述第三集合内的数据，获得由多个数据组成的第四集合；S33、将所述第四集合的前m个数据置入队列存储器M[m]；S34、将所述第四集合的第m+1+j个数据置于队列存储器M[m]的队尾，并丢弃队首的1个数据，其中，j为已经执行S34的次数；S35、丢弃所述队列存储器M[m]中数值最大的数据和数值最小的数据，求取剩下的m-2个数据的平均值；S36、判断所述第四集合内的数据是否已全部处理，若未处理完，返回步骤S34；若处理完，则输出步骤S35中所获得的平均值为S31中所述转速所对应本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种精确监测机床主轴切削功率的方法，其特征在于：其包括以下步骤：/n步骤一、对机床类型与主传动系统组成结构进行识别；/n步骤二、将功率传感器一端接入机床控制箱主轴电路，另一端接入数据处理计算机；开启机床，将机床主轴的转速设为预设值；/n步骤三、使用功率传感器采集主轴的空载功率原始信号P

【技术特征摘要】
1.一种精确监测机床主轴切削功率的方法，其特征在于：其包括以下步骤：
步骤一、对机床类型与主传动系统组成结构进行识别；
步骤二、将功率传感器一端接入机床控制箱主轴电路，另一端接入数据处理计算机；开启机床，将机床主轴的转速设为预设值；
步骤三、使用功率传感器采集主轴的空载功率原始信号Pi’，并对所得到的数据进行滤波处理，获得与空载功率原始信号Pi’所对应的空载功率Pi；
步骤四、使用功率传感器采集机床在步骤三中对应的转速下进行切削时的输入功率原始信号Pt’，并对所得到的数据进行滤波处理，获得与输入功率原始信号Pt’所对应的输入功率Pt；
步骤五、调节机床主轴的转速，重复步骤三和步骤四，获得主轴在不同转速下的空载功率Pi和输入功率Pt，
其中，若机床在切削时有辅助系统工作，则还需测量辅助功率Pf；
步骤六、根据步骤一所识别的机床类型与主传动系统组成结构，选择所匹配的动载荷损耗系数α计算公式，使用最小二乘法计算动载荷损耗系数α，
其中，当机床为普通机床时，计算公式为当机床为数控机床时，
其中，Pu为附加载荷损耗功率，Pc为切削功率，c、α1和α0均为常数；
步骤七、根据步骤五所获得的空载功率Pi和输入功率Pt，以及步骤六所获得的动载荷损耗系数α，计算出在不同转速时机床主轴的切削功率Pc；
其中，对于普通机床：



对于带有辅助系统的普通机床



对于数控机床：



对于带有辅助系统的数控机床：





2.根据权利要求1所述的一种精确监测机床主轴切削功率的方法，其特征在于：所述步骤二中，采用基于小波包的防脉冲干扰滑动平均滤波对空载功率原始信号Pi’进行滤波处理，并获得该转速下所对应的空载功率Pi；所述滤波处理具体包括以下步骤：
S21、在相同转速下，每间隔一段时间，通过功率传感器采集包含噪声干扰的主轴空载功率原始信号Pi’，获得多个数据组成的第一集合，选择合适的小波并确定小波包分解层数，对所述第一集合内的数据进行小波包分解；
S22、计算最佳树，选取合适的阈值对小波包分解系数进行阈值量化，根据分解系数重构所述第一集合内的数据，获得由多个数据组成的第二集合；
S23、将所述第二集合的前n个数据置入队列存储器M[n]；
S24、将所述第二集合的第n+1+i个数据置于队列存储器M[n]的队尾，并丢弃队首的1个数据，其中，i为已经执行S24的次数；
S25、丢弃所述队列存储器M[n]中数值最大的数据和数值最小的数据，求取剩下的n-2个数据的平均值；
S26、判断所述第二集合内的数据是否已全部处理，若未处理完，返回步骤S24；若处理完，则输出步骤S25中所获得的平均值为S21中所述转速所对应的空载功率Pi。


3.根据权利要求2所述的一种精确监测机床主轴切削功率的方法，其特征在于：所述S23中，n的取值范围为3～14。


4.根据权利要求1所述的一种精确监测机床主轴切削功率的方法，其特征在于：所述步骤三中，采用基于小波包的防脉冲干扰滑动平均滤波法对输入功率原始信号Pt’进行滤波处理，并获得所对应的输入功率Pt；所述滤波处理具体包括以下步骤：
S31、在相同转速下，每间隔一段时间，通过功率传感器采集包含噪声干扰的输入功率原始信号Pt’，获得多个数据组成的第三集合，选择合适的小波并确定小波包分解层数，对所述第三集合内的数据进行小波包分解；
S32...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡勇，田广军，郭晓磊，
申请(专利权)人：博深普锐高上海工具有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31