数控加工中心主轴组件及其控制系统设计（全套含CAD图纸）
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杂志高级制造科技（ 1997 ） 1997 年斯普林格伦敦有限公司 颤振检测监测主轴驱动电流 体育索利曼和 滑铁卢大学，滑铁卢，安大略省，加拿大大学机械工程系 关键词：颤振 ;加工 ;监测 监测和控制加工过程的关键是监测自动化制造系统。主要监测任务包括刀具磨损和刀具破损检测，并检测发生过程中的不稳定，即遥感。侧重于振检测铣削行动。 监测加工过程很大程度上取决于传感器类型和使用它的位置，以及对数字处理技术工作。关不同的传感器相比，并得出结论认为，监测的 音频信号涉及范围广泛的频率范围，并不敏感的几何形状切断。他们承认，然而，背景噪声的影响的音频信号并提出了一些技术，以使问题得到缓解。 最近，电流信号已被用于监控进程。这是因为目前信号采集许多要求良好的传感器。例如，它们很便宜，可靠和持久的，此外，从加工区，因此不容易受到高速切削条件的影响。 信号外地控制直流主轴驱动的数控车床变化中的切削力。系统带宽大约 2赫兹获得。采用电枢目前的直流电动机驱动的饲料数控立式铣床预测切削力和刀具破损。作者报告说， 20赫兹频率带宽的电流传感器使用主轴驱动电流信号检测刀具破损的转 折点。带宽电流信号小于 10 赫兹。在窄带主轴驱动器在谈到和进给铣削可以归因于大惯性的运动部件的机械表在铣削和输电要素和主轴，工件系统的转折点。这窄带强加一个严重限制使用的电流信号，这些驱动器色彩检测加工颤振通常在开发更高的频率。 斯坦因等人评价进给的直流伺服驱动的数控系统车床的力传感器，作者指出，虽然带宽的速度回路是 80 赫兹，扭矩循环是非常敏感的切削力。目前传感器响应了一步投入切削力相似，一阶系统的时间常数 2毫秒。这相当于一个频率带宽约 500赫兹。作者指出，动态特性 硅控制整流器的马达控制电路发挥一个重要的作 用，决定了在目前的带宽循环。这意味着改进设计，例如整流器可以提高带宽的电流信号，以支付一系列的颤振频率可高达 4千赫。 幸运的是，某一类的机械工具，包括大强大的机器，聊天频率低于 500赫兹。然而，增加的潜力，在目前的带宽信号总理背后的动机目前的工作。虽然我们的制度是完全不同的斯坦，和的带宽，我们的系统大大低于颤振频率，衰减信号仍然能够检测 。 函授和单行本要求：教授楼伊斯梅尔部滑铁卢大学，滑铁卢，安大略省，加拿大大学 教授楼伊斯梅尔部，机械工程专业。 2系统描述 正在审议的机器是一个铣床。模态分析测试表明，在 机械结构可以参照两自由度在每个机主要 方向 8 。实测模态参数结束时的工具给出了表 1 主轴驱动系统显示 1 。它包括一个电机驱动模块，电源模块，3 相永磁同步电动机和一个皮带轮皮带系统。该驱动模块的电机调速控制 通过直流指挥信号。指挥信号的速度范围介于 0和 10 r ， （弧度县 - ）可以： m= r X 速度 (1) 图 1示意图主轴驱动系统 主轴驱动电流信号只能用于 监测不稳定的过程，如果主轴驱动器的能力转递高频率。 因此，有必要审查的动态特性此驱动器，特别是其频率带宽。 为了完成这一任务的近似模型主轴驱动器的建造。计算结果从本模型将被用来解释实验证据 . 该系统在图。 1 ，皮带轮皮带系统是仿照首先。自由体图的皮带轮皮带系统显示在图。 图 2自由体图的皮带轮皮带系统 阻尼在滑轮支持假设是微不足道的。带假定光弹性集中。此外，带材料假定消散能源由于滞后损失。考虑到这些假设，方程的皮带轮皮带系统可以写成的紧张局势，皮带，皮带拉伸和角流 离失所的滑轮可以相关如下 在和 J 是惯性运动和机器 主轴分别，钾是带刚度， “ Q 是迟滞损耗因子的皮带材料， 的半径主轴皮带轮和电机皮带轮分别。 米和 0 的角位移，而 /米和 ，女 ， 和 F ;，而2 是加速。电机转动惯量是所提供的制造商。那个主轴转动惯量的基础上计算的几何形状和材料的机床主轴。带刚度和质量的供应由制造商。价值观的这些参数都给予在表2 。 皮带，皮带拉伸和滑轮可以相关如下 其中 8代表的预紧安全带 ，和 + （ - ) 0 。结合（ 2 ）至（ 7 ）和使用的拉普拉斯变换，我们得到 电源和驱动器单元， 凝胶，分别有先进的电子电路 ;模拟和速度由 1997年在这项工作中，最大的价值 / 用于获取的最大射程为主轴转速。 电源模块提供电源给电动机 通过一个三阶段的高压水管。最大持续 额定功率的驱动模块为 顶 分流功率为 40千瓦。电动机产生的最大扭矩 在 50纳米。滑车带系统包括两个铝 滑 轮 和 同 步 带 （ 固 特 异700 。传输 比例是 的 电机主轴的 对应的最高转速 1248 转 主轴驱动器图。 1是一个反馈系统的 参考输入的速度是命令和反馈信号 是电机转速。电机速度的测量使用 编码器内置马达套管内。双方的指挥和 反馈信号反馈到单位 中包括 整流器，整流逻辑和电流放大器。这些组件 产生特区目前， L 的驱动电机在 速度所指定的命令信号。的功能 单位 单位网关 发号施令的带宽速度 循环。目前， / ，加上编码器输出的美联储 进入股凝胶其中包括目前的逆变器和逆变器的逻辑。这些组件产生三相电流 信号，罐，这是美联储在电 机绕组产生 电动机的扭矩熔点。的功能单位，以确保凝胶该运动提供了必要的驱动力矩 负荷，热释光。该单位凝胶，连同滑轮和皮带系统电动机，确定的带宽扭矩（电流）回路 . 然而 ,一个简单的模拟模型的一般特征这些模块是制造商所建议 9 。那个模型，然而，考虑到刚度的电机轴的的主要因素，确定了系统的固有频率。主轴驱动系统正在审议中，带 刚度远低于电机轴刚度和因此它是带的主要来源灵活的系统。因此，所建议的模式汽车制造商进行了改进，以便纳入滑车带系统动力学。阿框图修改系统中图。 3 。简化块图。 此外，传递函数 G=S/V 的命令是考虑 方式： 在图 类代表的动态调速器和 K 伯利进程和 选定使用尼科尔斯 10 和 H ， 所提供的制造商。价值观的这些参数并给出在表 2 。 G 和别为。 使用中的参数表 2 ，条。结果表明，电流环自然频率在 167赫兹。该频率主要与滑车带系统。据图。 4 （ a ）项，应振发展在一个更高的频率来衡量的表 1 ，信号在这些频率将减弱高达 20 分贝。幸运的是，将提交后， 实验结果表明，颤振频率不衰减了 。此外，指标使用的颤振相当敏感，甚至对这一减少的信号。 频率响应的 结果表明，速度，圈有一个截止频率为 10赫兹。 这是远低于截止频率的电流信号 . 图 3 框图主轴驱动系统 4 。灵敏度的电流信号，以工艺稳定性 灵敏度的电流信号，或任何的信号，即代表 加工过程中，包在从三个因素。第一种是能力信号传递有关的信息过程的不稳定。为了例如，能力的信号进行颤振频率无严重振幅或相位扭曲。第二因子是一种措施，或信号处理程序，即能够提取聊天信息的信号。这个措施必须能够反映进程不稳定“ 无正在敏感变化的 切削参数。这个条件是重要的，因为它可以防止虚假传言迹象当有不正常的切削条件，如瞬态或切削速度改变。第三个因素是的敏感性，这样的措施来处理不稳定。在换句话说，这项措施必须立即显示任何不稳定在切削过程，然后它必须表现出多少上述过程的稳定极限。这种状况成为非常重要，如果这一措施是用于在线控制颤振的控制行动的程度相称不稳定的过程。比较高，低频率的组成部分监测信号是一个基本手段，检测程序不稳定。 11 计算的低频部分的声发射的铣削过程。他们相比，这个比例不同 阈值，以检测过程中的不稳定。否理由是考虑到设置这些门槛，司马义艾买和库比卡 12 的比例计算的第二个瞬间的高，低频率部分的切削力信号衡量一个主轴革命。它们指本比， R 值 ,他们使用了一种阈值为 他们设置这个门槛价值基于定性意见工件表面特征。是否可以采用主轴驱动电流信号监测过程中的不稳定是处理实验在未来两节。的敏感性， 从目前的信号不稳定和过程的变化在切削参数进行了检查使用分析差额。只是一个方面的敏感性， R 值为进程被认为是不稳定的，这是它有能力检测轻微进程不稳定。之间的关系 5 。实验设计 有几个参数影响的稳定铣削过程中，主要是削减的几何形状 ,切削速度，进给速度和切削深度。这些影响参数对 R 值来处理不稳定。为了研究这些影响的最低数量的试验 ,在田口统计方法用于设计实验。不同的设置的切削参数选择基于能力的机器上正在审议一方面，和支付一个合理的范围广泛的切割条件另一方面。组合的设置的切削参数选择了建造一个 18正交矩阵 13 。该参数设置为不同的实验表 3所示。四个层次被指派的几何形状的减少，它们是开槽，一，半沉浸下跌铣和 泡向下铣削，两个主轴转速被选定为 500 和 800 5 时间追踪和光谱的电流信号 6 实验结果 一个典型的时间追踪的电流信号图所示。第5 （ a ） （ b ）项和第 5 （ c ） 。从图。 5 （ a ）项，可以清楚地看到，聊天之后开发 ，由于逐步增加切削深度。可以看出在 。第 5 （ c ） 。它发达国家在 435赫 兹相当于频率第二个模式，在 X 表一） 。在这两个图 5 （ b ）项和第 5 （ c ）有一个高峰， 161赫兹。该频率对应的自然频率皮带轮皮带系统模拟表明（见第 3 ） 。还有一个频率在 565赫兹高峰。该频率只显示不稳定的切削条件下，它是内部的主轴驱动系统，因为它没有出现在该的信号，因为它将会显示在描述未来的数字。 模拟主轴驱动器无法检测到 565 赫兹由于简单的使用模型 ;一个更为复杂的模型必须揭示这一频率。图 6 显示武力信号相同的实验（ ） 。那个时间追踪部队信号，图。第 6 （ a ） ，是非常相似当前的信号，但目前的信号更噪音。该频谱的武力下稳定的信号和不稳定的切削条件显示在图 6 （ b ）和 6条（ c ） 。这些数字只是低频部分，由于以偏心，和高频率的组成部分，由于颤振， 可以看出 值计算，为部队和当前信号，显示在图。 7 。从图中可以看出通过比较，在部队电流信号，高颤振频率，后者是减毒了大约 5分贝 值小于从模拟见图。 4 ） 。此外，这一数字表明， R 值，因为计算出的电流信号，跳跃约 0毫秒之间的电流和力量的信号。这个主要 是因为目前的信号缓冲驱动器中模块，然后才提供样品。图9 显示高频成分相同的信号。这些组成部分，得到了过滤原始信号使用带通滤波器。该过滤器已小于 贝纹波的通带，从300到 520赫兹。它没有苔丝大于 30 于 280 高于 540赫兹。甲振频率显然都当前和力量的信号。必须指出的是，目前的 进程访问的稳定极限。这意味着，在 R 值增加了 337 的不稳定 “ 不到 20 。图 8对应 。它显示了时间的痕迹低频部分的力量和电流信号。这些组成部分，得到了数字滤波（利用 原始信号使用的是低通滤波器。该过滤器有一个纹波小于 贝在通带， 110 赫兹。它有一个纹波不小于 30分贝的阻带， 130赫兹。这个数字表明，目前的信号之后牙齿接触以同样的方式向部队信号。那里信号代表的切削扭矩，而力信号只占一个组成部分，切削力。此外，电流信号噪音比武力信号。然而，两个信号展览类似的趋势。相应的频谱，以图。 9 所示图。 10 。同样，频率 161和 565只能观察变换的电流信号。甲振频率目前在双方的力量和电流信号在 435 赫兹。频率都出现在53赫兹光谱。图 11 显示了 字中，可以看出，在颤振频率目前信号衰减约六点五分贝比较该信号。此外，这一数字表明， 计算出的电流信号，从 高到 进程访问的稳定极限。这相当于 1 473 的升幅为 应的不稳定不到 20 。这个数字，连同图。 7 ，表明的敏感性， 方差分析结果报告表 3 列在表4 。值的平方，自由度和均方根计算的每个切削参数。汇集技术是用来估计错误差额。然后，差额比例计算每个切割参数和一架 F 0 置信限。一个星号也就是说，具有重要意义的 比例和相应的裁剪参数有重大影响的 F 架F 轴速度，进给速度和几何切无显着影响的 图 6时间追踪和谱部队信号 图 7 R 值对当前和 压力 的信号 图 8低频部分的 压力 和电流信号 感谢 ： 这项研究是由自然科学和工程加拿大研究理事会。 参考资料 1 .“ 传感器的控制的金属切削车床研讨会上先进的加工，页。 37 1988 。 2 . J ， 安德鲁斯。 “ 传感器年报 32 （ 2 ） 3 . 使用的音频信号的颤振 检测与控制“ 杂志工程产业，美国机械工程师学会， 114 ， 1992年 5月。 4 . 直流主轴驱动器 “ ，杂志的动态系统，测量和控制，美国机械工程师协会， 108页。 289 1986 年 12月。 5 . “ 预测切削力和刀具破损的驱动电流测量 “ 杂志工程工业，美国机械工程师协会， 114页。 386 1992年 11月。 6 贝尔托克和 “ 在过程检测刀具破损监 测主轴电机电流的 机床 “ ，专题讨论会测量与控制间歇制造， 证 19 个，美国机械工程师协会，阿联酋，页。 145 1988 。 7 . 评价直流伺服机床进给驱动器为力传感器 “ 杂志动态系统，测量和控制，美国机械工程师协会，
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