CN1107249C

CN1107249C - 刀具状态的自动监测

Info

Publication number: CN1107249C
Application number: CN97192053A
Authority: CN
Inventors: 鲍里斯·费恩斯坦; 爱德华·塔巴克尼克; 马克·朱克曼; 艾戈·鲁巴什金
Original assignee: Omat Ltd
Current assignee: Omat Ltd
Priority date: 1996-01-03
Filing date: 1997-01-02
Publication date: 2003-04-30
Anticipated expiration: 2017-01-02
Also published as: PL327666A1; PL182940B1; DE69700546D1; IL116667A0; IL125123A; JP2000502959A; EP0871930A1; KR100413987B1; CN1210599A; CZ208698A3; US6202002B1; IL125123A0; RU2180967C2; DE69700546T2; EP0871930B1; ES2138439T3; CA2241951C; AU1169597A; JP3810090B2; KR19990077013A

Abstract

用于为根据给定的加工操作切削工件时的切削刀具提供瞬时刀具状态指示的自动监测系统和方法，其中相同类型的基本新的切削刀具具有基准平均刀具磨损系数R₀。该系统包括一转矩监视器(7)，用于在切削第i个顺序工件时测量主驱动切削转矩M。与转矩监视器(7)耦合有一瞬时刀具磨损系数处理器(13)，用于在切削第i个顺序工件时计算出多个瞬时刀具磨损系数r_(j)。与瞬时刀具磨损系数处理器(13)相耦合的是一个平均刀具磨损系数处理器(14)，用于从所述多个瞬时刀具磨损系数r_(j)中计算出切削刀具的平均刀具磨损系数R_(i)。最后，与平均刀具磨损系数处理器(14)相耦合的是一个刀具磨损系数比较器(15)，用于将各平均刀具磨损系数R_(i)与基准平均刀具磨损系数R₀相比较，以便为各第i个顺序工件提供切削刀具的瞬时刀具状态指示。

Description

刀具状态的自动监测

技术领域

一般说来，本发明属于在切削过程中刀具状态自动监测领域。具体地说，本发明涉及在机械加工过程中随机床产生的转矩变化的切削刀具的刀具状态的自动监测。

背景技术

CNC程序以指令控制由机床旋转驱动的铣刀沿切削路径切削工件。如果没有对至少铣刀相对于工件的馈送速率的自适应控制，则由于其逐步严重的刀具磨损，需要使机床对铣刀产生经常增加的转矩，以便按照CNC程序切削随后的工件。

铣刀的刀具状态的自动转矩响应监测，在本领域属于公知，例如见于授予Chung的美国专利US4,208,718和授予Jeppesson的美国专利US4,802,095。

授予Chung的美国专利US4,208,718描述了一种自动监测方法，其中铣刀的刀具状态指示，决定于在加工过程中作为总切削时间百分比的增加目标马力下切削时间的持续。

授予Jeppesson的美国专利US4,802,095描述了一种自动监测方法，其中侧负载合力FRES具有切向分量FT和径向分量FR，在铣削过程中随其FT分量一起直接测量，并在此基础上计算出FR分量以提供刀具磨损的指示。

在美国专利US 4,547,847中，描述了一种对机床的自适应控制，它在子程序TLMNTR中提供了刀具监测功能，表示在其图13H中并且在其第35栏第64行至第38栏第49行中进行了描述。该子程序TLMNTR假定一基本上线性的钝化过程，并且需要来自操作NC程序的数个切削参数，例如馈送速率和转轴速率。另外，该子程序还需要已知的或者不变的切削深度，在前一情况下，切削深度按线性方式加以补偿。从而，该子程序可以用于在相当直接的切削应用中预测刀具的寿命。

发明内容

本发明的主要目的在于提供在一种自适应控制系统控制下的机械加工过程中切削刀具，特别是铣刀的刀具状态的自动监测，该自适应控制系统适于在机械加工过程中保持机床产生的转矩基本不变。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于自动监测刀具状态的系统，通过为根据给定的加工操作切削相同工件的切削刀具提供瞬时的刀具状态指示来自动监测刀具状态，其中相同类型的新的切削刀具具有基准平均刀具磨损系数R₀，该系统包括：

(a)用于在切削第i个顺序工件时测定主驱动切削转矩M的装置；

(b)一瞬时刀具磨损系数处理器，用于在切削上述第i个顺序工件时计算出切削刀具的多个瞬时刀具磨损系数r_(j)；

(c)一平均刀具磨损系数处理器，用于从上述多个瞬时刀具磨损系数r_(j)中计算出切削刀具的平均刀具磨损系数R_(i)；以及

(d)一刀具磨损系数比较器，用于将上述平均刀具磨损系数R_(i)与基准平均刀具磨损系数R₀相比较，通过所述比较在切削各第i个顺序工件后提供切削刀具的瞬时刀具状态指示；

其特征在于

上述瞬时刀具磨损系数处理器根据一般关系式M_(j)＝A₀F_(j) ^αr_(j) ^β计算出瞬时刀具磨损系数r_(j)，其中F为切削刀具与工件之间相对运动的瞬时馈送速率，而A₀、α以及β为取决于切削刀具和工件材料组合的系数。

在申请人的WO94/14569申请中，描述了一种自适应控制系统，用来响应于由旋转驱动铣刀的机床根据一般关系式：M＝AF^yρ^γ所产生的转矩，自适应控制至少一铣刀的馈送速率，其中M为由旋转驱动铣刀的机床所产生的被测转矩，F为铣刀的瞬时馈送速率，ρ为由铣刀瞬时加工的工件的截面面积，而且A、y以为γ为取决于铣刀和工件材料的系数。

现已发现，对于确定了所有有关参数的给定加工操作，尤其包括与诸如机床、包含其材料的工件、切削路径、馈送速率、转轴速率以及特种类型冷却剂的使用等有关的参数，切削刀具的刀具状态可以由相同类型的一般关系式：M＝A₀F^αR^β导出。

在此关系式中，M为由机床产生的被测量转矩，F为切削刀具与工件之间相对运动的瞬时馈送速率，而且A₀、α以及β为取决于特定的切削刀具和工件材料组合的一些系数。另外，三系数组(A₀，α，β)被确定为使得比率R_(i)/R₀等于与切削刀具基本钝化相对应的予定上临界阈值ε_u，其中R_(i)为表示切削第i个顺序工件后切削刀具的刀具磨损的系数，R₀为执行相同加工操作的基本新的切削刀具的基准平均刀具磨损系数。

当比率R_(i)/R₀或者超过上临界阈值ε_u，或者突然跌至下临界阈值ε_l(其中ε_l表示折断的切削刀具)以下时，更换切削刀具。为简便起见，上临界阈值和下临界阈值ε_u和ε_l均为加工操作常数，分别为1.6和0.9。下临界阈值ε_l优选等于0.9，比选择1更好，从而表示切削刀具真的折断，而不是由于如工件断裂等其它原因使比率R_(i)/R₀降至低于1。

与此相反，当比率R_(i)/R₀落在工作范围[0.9，1.6]以内时，切削刀具的刀具磨损最好作为刀具磨损百分比指示给机器操作员，其中100％表示切削刀具是新的，而0％表示其已经报废需要更换。根据标称上临界阈值ε_u＝1.6，可以由下式计算出刀具磨损百分比：

[\frac{1.6 - R_{(i)} / R_{0}}{0.6}] \times 100 %

机床取决于切削操作，并且继而在铣削操作中，转矩M由旋转驱动铣刀的机床产生，而在车削操作中，转矩M由旋转驱动工件的机床产生。在提供铣刀瞬时刀具状态的情况下，已经发现，当把关系式M＝A₀F^αR^β调整为M＝A₀F_z ^αR^β时，可以获得更加精确的指示，其中F_z为考虑到铣刀为多齿铣刀时铣刀每个齿的走刀量。

根据本发明的第二方面，提供了一种自动检测刀具状态的方法，通过为根据给定的加工操作切削相同工件的切削刀具提供瞬时的刀具状态指示来自动检测刀具状态，其中相同类型的新的切削刀具具有基准平均刀具磨损系数R₀，该方法包括如下步骤：

(a)在切削第i个顺序工件时测量主驱动切削转矩M；

(b)在切削所述第i个顺序工件时计算出切削刀具的多个瞬时刀具磨损系数r_(j)；

(c)从上述多个瞬时刀具磨损系数r_(j)中计算出切削刀具的平均刀具磨损系数R_(i)；以及

(d)将上述平均刀具磨损系数R_(i)与基准平均刀具磨损系数R₀相比较，通过所述比较在切削各第i个顺序工件后提供切削刀具的瞬时刀具状态指示；

其特征在于

步骤(b)包括根据一般关系式M_(j)＝A₀F_(j) ^αr_(j) ^β计算出瞬时刀具磨损系数r_(j)，其中F为切削刀具与工件之间相对运动的瞬时馈送速率，而A₀、α以及β为取决于切削刀具和工件材料组合的系数。

附图说明

为了更好地理解本发明并且说明其在实际中如何实施，下面参照附图，仅以非限制性实例的方式对其进行说明，其中：

图1是用于为铣刀提供瞬时刀具状态指示的自动检测系统(AMS)的示意图；

图2是图1的AMS的示意方框图；

图3为图1的AMS的操作流程图；且

图4为对于给定加工操作，表示比率R_i/R₀对第i个顺序工件的典型曲线图。

具体实施方式

图1表示一种自动检测系统(AMS)1，用于为铣刀2提供瞬时刀具状态指示，铣刀2在CNC单元4的控制下由机床3旋转驱动，CNC单元4由自适应控制系统(ACS)5加以调整，自适应控制系统(ACS)5用于根据机床3所产生的由与之相连的转矩监视器7测得的转矩对至少铣刀的馈送速率进行自适应控制。这种ACS5例如在申请人的WO94/14569申请中有所描述，它还能自适应控制铣刀的转轴速率S。

瞬时刀具状态指示可以在刀具状态指示监视器8上显示为刀具磨损百分比，由机器操作员适当利用，即更换报废的铣刀。要不然，刀具状态可以在监视器8上显示为读出信息“可使用”，或者当铣刀2磨损或断裂时显示为“不可使用”。另外，当铣刀2磨损或断裂时，AMS1可以向CNC单元4发出一个刀具更换中断信号(TC)。

与AMS1还耦合有一操作界面9，操作员通过它输入表示铣刀类型的铣刀(MC)代码，表示工件材料的工件材料(WM)代码，和表示加工操作的加工操作(MO)代码。

图2表示的AMS1包含存储器10，用于存储对于不同的铣刀和工件材料组合的三系数组(A₀，α，β)，以及对于不同加工操作的基准平均刀具磨损系数R₀。

用于具有四个出屑槽的固体端面铣刀的典型三系数组(A₀，α，β)为：对于软钢为(A₀＝148，α＝0.75，β＝0.83)，对于铸铁为(A₀＝116，α＝0.68，β＝0.75)，对于铝为(A₀＝79，α＝0.72，β＝0.8)。对于不同的铣刀和工件材料组合的三系数组(A₀，α，β)，在大量的加工操作的基础上根据经验确定。

对于新的加工操作的新系数R₀在以新铣刀运行的实验过程中由校正单元11加以确定，校正单元11获得M_(j)和F_z(j)，并且通过机器操作员对于特定的铣刀和工件材料组合提供三系数组(A₀，α，β)。

与ASC5、转矩监视器7和存储器10相耦合的是一个瞬时刀具磨损系数处理器13，用于根据关系式M_(j)＝A₀F_z(j) ^αr_(j) ^β计算出瞬时刀具磨损系数r_(j)，其中F_z(j)为铣刀2在切削第i个顺序工件时沿其切削路径不同位置处的每个齿的瞬时走刀量。如果每齿瞬时走刀量F_z(j)不能直接得出，则可以根据关系式F_z(j)＝F′_(j)/(S′_(j)z)容易地算出，其中F′_(j)是铣刀2相对于工件的瞬时馈送速率，S′_(j)是其瞬时转轴速率，而z是其出屑槽的数量。

与处理器13耦合有平均刀具磨损系数处理器14，用于根据一般关系式：

R_{(i)} = \frac{1}{n} Σ_{j = 1}^{n} r_{(j)}

计算出铣刀2在切削第i个顺序工件时的平均刀具磨损系数R_(i)。

与存储器10和处理器14耦合有刀具磨损系数比较器15，用于将平均刀具磨损系数R_(i)与基准平均刀具磨损系数R₀进行比较，以便在监视器8上提供刀具状态指示，并且如果适当的话还发出一个刀具更换中断信号TC。

下面参照图3说明AMS1的工作原理，图3表示对用于一个新的加工操作的新铣刀确定未知的R₀之后，对于每个第i个顺序工件，处理器13一般以每秒10次采样的采样速率计算出瞬时刀具磨损系数r_(j)，再据此结果由处理器14计算出铣刀的无权重平均刀具磨损系数R_(i)，然后由比较器15将其与基准平均刀具磨损系数R₀进行比较，以确定指示铣刀的瞬时刀具状态的比率R_(i)/R₀。

如上所述，当比率R_(i)/R₀位于工作范围[0.9，1.6]以内时，瞬时刀具状态根据下式被表示为刀具磨损百分比：

[\frac{1.6 - R_{(i)} / R_{0}}{0.6}] \times 100 %

如图4所示，随着铣刀的磨损，对于各顺序第i个工件的比率R_(i)/R₀向预定的上临界阈值1.6渐进增加，该上临界阈值对应于刀具基本报废并且需要更换。在所示实例中，铣刀在大约45个工件之后报废。

在AMS1操作的自动模式中，当比率R_(i)/R₀在或者断裂或者报废的情况下落在工作范围[0.9，1.6]之外时，AMS1向CNC单元4发出一个刀具更换中断信号TC。

虽然本发明是参照数量有限的实施例加以说明的，但是可以理解，本领域普通技术人员能够对本发明作出许多变型、改进或者其它应用。例如，该自动监测系统可以作为初始OEM器件安装或者改型为现有CNC机器中。

Claims

1.一种用于自动监测刀具状态的系统，通过为根据给定的加工操作切削相同工件的切削刀具提供瞬时的刀具状态指示来自动监测刀具状态，其中相同类型的新的切削刀具具有基准平均刀具磨损系数R₀，该系统包括：

(d)一刀具磨损系数比较器，用于将上述平均刀具磨损系数R_(i)与基准平均刀具磨损系数R₀相比较，通过所述比较，在切削各第i个顺序工件后提供切削刀具的瞬时刀具状态指示；

其特征在于

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述瞬时刀具磨损系数处理器在切削刀具为铣刀时根据一般关系式M_(j)＝A₀F_z(j) ^αr_(j) ^β计算出瞬时刀具磨损系数r_(j)，并且F_z为铣刀的每齿走刀量。

3.一种自动检测刀具状态的方法，通过为根据给定的加工操作切削相同工件的切削刀具提供瞬时的刀具状态指示来自动检测刀具状态，其中相同类型的新的切削刀具具有基准平均刀具磨损系数R₀，该方法包括如下步骤：

(a)在切削第i个顺序工件时测定主驱动切削转矩M；

(d)将上述平均刀具磨损系数R_(i)与基准平均刀具磨损系数R₀相比较，通过所述比较，在切削各第i个顺序工件后提供切削刀具的瞬时刀具状态指示；

其特征在于

4.根据权利要求3所述的方法，其中在切削刀具为铣刀时步骤(b)包括根据一般关系式M_(j)＝A₀F_z ^αr_(j) ^β计算出瞬时刀具磨损系数r_(j)，并且F_z为铣刀的每齿走刀量。