专利名称：一种数控机床低速进给负荷标定装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及数控机床技术，具体为一种数控机床低速进给负荷标定装 置，它适用于数控加工过程的进给负荷与进给电机电流关系的标定，它尤
其适用于机床以5m/min以下速度进给时的标定。
背景技术：
目前，全世界数控机床的拥有量和生产量与日俱增，我国数控机床的 拥有量和进口量均已达世界第二位。与此同时，数控机床价格仍普遍较高， 维修成本高昂，在数控加工过程中为了避免损坏机床，在进行零件加工时 大都采用比较保守的切削用量，将切削力控制在相对较小的状况下进行切 削，降低了数控机床工作效率，增加了加工成本。
切削力作为判断切削加工过程状态的主要指标之一，通过对切削力的 检测，能了解切削状态、机床运行状况、判断切削用量是否合理，避免因 零件材质和毛坯加工余量不均匀造成刀具磨损、工件报废、机床损坏等事 故，尽可能提高生产效率，降低生产成本，因此，在数控加工过程中对切 削力进行实时检测是十分必要的。
加工过程中刀具负荷的变化通过机械传动系统的传递作用，在交流电 机系统的电参量变化中得到体现。其负荷传递有两条路径路径1是负荷 传递到进给伺服系统，转化为进给负荷并在进给伺服电机电流中得到体现 的过程；路径2是负荷传递到主轴电机系统并在主轴电机电流中的得到体 现的过程。
目前，生产中主要通过人工试切，选定切削参数以确定合适的切削力。 在生产中，工人依据加工经验对材料进行试切，记录大量的实验数据来调 整切削参数，以使切削力保持在一个合适的范围。但这样的调整要进行大量的加工前实验，不仅浪费材料，而且切削力只能控制在一个范围内，无 法确定切削力的具体数值。当加工材质、余量不均匀时容易产生切削力大 范围的波动，造成刀具磨损甚至机床损坏。
发明内容
本发明的目的在于提供一种数控机床低速进给负荷标定装置，该标定 装置操作方便，能标定进给伺服电机电流与进给负荷之间关系，为切削力 恒定控制提供了条件，减小了材料耗费、提高了机床使用效率。
本发明提供的数控机床低速进给负荷标定装置，其特征在于，该装置 包括油箱、液压回路块、单向阀、整流板、电液比例调速阀、液控单向阀、 液压缸、主轴刀柄、霍尔电流传感器、放大器、数据采集卡和标定处理器；
液压缸有杆腔通过液压回路块中的第一条工作油路与液控单向阀相 连，液压回路块中的第一条工作油路还通过整流板与电液比例调速阀相通；
液压缸无杆腔通过液压回路块中的第二条工作油路分别与单向阀和液 控单向阀的控制口相连，第二条工作油路还通过整流板与电液比例调速阀 相通；
油箱通过液压回路块中的回油油路与液控单向阀相连；
油箱通过液压回路块中的补油油路与单向阀相连；
液压缸的活塞杆与主轴刀柄相连；
标定处理器依次经过数据采集卡、放大器输出控制信号给电液比例调 速阀；
霍尔电流传感器挂在机床的进给伺服电机的电源线上，其信号输出端 经过数据采集卡与标定处理器相连。
本发明采用一种低成本的方法，首先标定自身控制参量(阀芯开口控 制电压和机床进给速度)和输出参量(进给负荷)之间关系，再通过设定 不同控制参量，并采用霍尔电流传感器监测进给伺服电机电流变化，标定出机床进给负荷和进给伺服电机电流的关系，从而间接实现加工过程中的 切削力与进给电机电流关系的标定，为通过控制进给电机电流实现切削力 的恒定控制提供条件。本发明体积小，重量轻，使用方便，便于拆卸和携 带，适合于在生产车间条件下用来进行切削负荷的标定，是一种普及型的 检测工具。
图1为本发明数控机床低速进给负荷标定装置液压系统的结构示意图； 图2为本发明数控机床低速进给负荷标定装置的原理图 图3为本发明数控机床低速进给负荷标定装置液压回路块透视图； 图4为本发明数控机床低速进给负荷标定装置自身标定方式示意图； 图5为本发明标定装置工作方式示意图； 图6为本发明标定处理器的工作流程图。
具体实施例方式
本发明适用于低速进给(V《5m/min)状态时，进给负荷与进给伺服电 机电流之间关系的标定。本文中的负荷特指进给抗力负荷。下面结合附图 和实例从几个方面对本发明作进一步详细的说明。
如图l、 2所示，本发明提供的数控机床高速进给负荷标定装置包括油 箱l、液压回路块2、单向阀3、整流板4、电液比例调速阀5、后支座6、 液控单向阀7、液压缸8、前支座9、主轴刀柄IO、连接螺母ll、霍尔电流 传感器12，放大器13，数据采集卡14和标定处理器15。测力仪16为标定
装置自身标定时需要使用的测力工具。
如图3所示，液压回路块2上开有螺纹孔17，分别用于与单向阀3、 整流板4、电液比例调速阀5、液控单向阀7连接。液压回路块2还开有第 一、第二工作油路18、 19以及回油油路20、补油油路21。
第一工作油路18的一端与液压缸8有杆腔通过螺纹相连，分成二条支 路后其中一条支路与液控单向阀7相连，另一条支路通过整流板4后与电 液比例调速阀5相连。第二工作油路19的一端与液压缸8无杆腔通过螺纹连接，分成三条支路后，其中二条支路分别与单向阀3和液控单向阀7的
控制口相连，第三条支路通过整流板4后与电液比例调速阀5相连。回油 油路20的一端与油箱1相连，另一端与液控单向阀7相连；补油油路21 的一端与油箱1相连，另一端与单向阀3相连。液压回路块2通过连接油 箱l、单向阀3、整流板4、电液比例调速阀5、液控单向阀7以及液压缸8 组成液压系统。
本实例以液压回路块2为中心，油箱l置于其左侧，单向阀3、整流板 4和电液比例调速阀5置于其右侧，电液比例调速阀5叠加在整流板4上与 液压回路块2相连，液控单向阀7置于液压回路块2上侧，后支座6和前 支座9分别支撑液压缸8的后端与前端，液压缸8上两个油口分别与液压 回路块2上第一工作油路18、第二工作油路19的油口相连，各部件间以螺 钉连接并且各部件间油路接口都采用0型密封圈密封。
液压缸活塞杆通过连接螺母11与主轴刀柄10相连。液压缸8活塞杆 外伸动作时，油液流入液压回路块2，经第一工作油路18流入整流板4、 电液比例调速阀5，然后从第二工作油路19流回液压缸8，组成工作回路， 液压缸8活塞杆反向动作时油液流向反向。油箱1与液压回路块2相连， 经补油油路21流过单向阀3后流入第二工作油路19组成活塞杆外伸动作 时的补油油路;油箱1与液压回路块2相连，活塞杆内縮动作时无杆腔形 成高压，液控单向阀反向开启，多余油液经第一工作油路18流入液控单向 阀7后流入回油油路20,组成一条回油油路。
标定装置通过安装在工作台上的测力仪平台16与机床固连，通过主轴 刀柄10与机床主轴相连。数控机床给定进给速度使工作台作进给运动，此 时，主轴刀柄10通过连接螺母11与活塞杆连接，工作台带动液压缸壳体 运动，活塞杆外伸使液压系统内油液流动，第一工作油路18为高压端，液 控单向阀关闭，油液由有杆腔经过整流板4和电液比例调速阀5流向无杆 腔，单向阀开启，补油油路21对油路补油；工作台向另一方向进给时，工 作台带动液压缸壳体反向运动，第二工作油路19为高压端，单向阀关闭， 液控单向阔反向开启，油液由无杆腔经过整流板4和电液比例调速阀5流向有杆腔，多余油液经液控单向阀7由回油油路20流回油箱。
标定处理器15经数据采集卡14输出控制电压，由放大器13功率放大 后输出给龟液比例调速阀5，控制电液比例调速阀5阀芯开口大小以调整液 压缸8两端的压差，达到调节进给负荷大小的目的。
霍尔电流传感器12的一端与数控机床的进给伺服电机的电源线相连， 数据采集卡14采集测力仪16测量的力信号和霍尔电流传感器12测得的进 给伺服电机电流信号，经标定处理器]5处理后存入数据库，实现对轴向进 给负荷和进给伺服电机电流关系的标定。
如图4本发明标定装置自身标定方式示意图所示，标定装置组装完成 后，首先需要进行控制电压U、机床进给速度V与输出进给负载F关系的标 定。由数控机床给定进给速度V，标定处理器15经数据采集卡14的模拟输 出通道输出的控制电压U;采用测力仪16测量进给负载F的大小，并用数 据采集卡14进行数据采集，将采得的数据经标定处理器15进行一系列处 理后与输出的控制电压U、进给速度V—起存入标定处理器的数据库，达到 标定本装置控制参量(控制电压U、进给速度V)与输出参量(进给负荷F) 关系的目的。
如图5本发明标定装置工作方式示意图所示，在工业现场应用时，将标 定装置安装在机床工作台上，并通过主轴刀柄与机床主轴相连。数控机床 给定不同的进给速度V使工作台作进给运动，由于标定装置本身已经过标 定，则可根据标定处理器15输出的控制电压U和机床给定的进给速度V知 道输出的进给负荷F的大小。此时，采集霍尔电流传感器12测量进给伺服 电机电流I的大小，经标定处理器15进行一系列处理后存入数据库，从而 标定出机床进给伺服电机电流I与进给负荷F的关系。
如图6标定处理器数据处理流程图所示。自身标定时，给定控制电压 和进给速度，数据采集卡采集测力仪测量的力信号，然后截取其有效数据 段进行分析，求取力信号均值并与此时给定的控制电压、进给速度组成记 录存入数据库，从而标定出装置控制参量(控制电压、进给速度)与输出参 量(进给负荷)的关系；进给伺服电机标定时，通过设定控制电压和进给速度给定进给负荷，数据采集卡采集霍尔传感器测得的进给伺服电机电流信 号，然后截取其有效数据段进行分析，经数字滤波和三相叠加后，再转化 为等效的直流电流值与已知的进给负荷值存入数据库。通过改变控制电压 或进给速度来改变进给负荷大小进行液压系统响应滞后分析；对测得的进
给伺服电机电流信号进行时频域分析观测信号变化趋势；曲线拟合可拟合
出各输入量(控制电压、进给速度、进给负荷等)与输出量(进给负荷、进给 伺服电机电流等)之间的关系。
该标定装置根据前支座6和后支座9在工作台上安装方式不同可以分 别实现对X、 Y、 Z等三个轴向的标定。
该标定装置有配套的标定处理器在对装置本身和机床进行标定时使 用，能对测得的数据进行分析、处理、存储、曲线拟合计算和数据库管理 等相关功能。
权利要求
1、一种数控机床低速进给负荷标定装置，其特征在于，该装置包括油箱(1)、液压回路块(2)、单向阀(3)、整流板(4)、电液比例调速阀(5)、液控单向阀(7)、液压缸(8)、主轴刀柄(10)、霍尔电流传感器(12)、放大器(13)、数据采集卡(14)和标定处理器(15)；液压缸(8)有杆腔通过液压回路块(2)中的第一条工作油路与液控单向阀(7)相连，液压回路块(2)中的第一条工作油路还通过整流板(4)与电液比例调速阀(5)相通；液压缸(8)无杆腔通过液压回路块(2)中的第二条工作油路分别与单向阀(3)和液控单向阀(7)的控制口相连，第二条工作油路还通过整流板(4)与电液比例调速阀(5)相通；油箱(1)通过液压回路块(2)中的回油油路与液控单向阀(7)相连；油箱(1)通过液压回路块(2)中的补油油路与单向阀(3)相连；液压缸(8)的活塞杆与主轴刀柄(10)相连；标定处理器(15)依次经过数据采集卡(14)、放大器(13)输出控制信号给电液比例调速阀(5)；霍尔电流传感器(12)挂在机床的进给伺服电机的电源线上，其信号输出端经过数据采集卡(14)与标定处理器(15)相连。
全文摘要
本发明公开了数控机床低速进给负荷标定装置，包括油箱、液压回路块、单向阀、整流板、电液比例调速阀、液控单向阀、液压缸、主轴刀柄、连接螺母、霍尔电流传感器，放大器，数据采集卡和标定处理器；电液比例调速阀与整流板、单向阀、液控单向阀组成阀组进行标定时，液压缸、液压回路块与阀组构成液压系统，通过连接螺母、主轴刀柄将液压缸活塞与主轴相连；实现装置的控制和标定数据采集、分析，实现轴向进给负荷与进给电机电流关系的标定。本装置生产成本低廉，广泛适用于在生产车间条件下进行数控机床的标定，是一种普及型的标定装置。
文档编号B23Q17/00GK101318301SQ20081004824
公开日2008年12月10日 申请日期2008年7月1日 优先权日2008年7月1日
发明者刘红奇, 唐小琦, 伟 孙, 斌 李, 毛新勇, 蒋克强, 陈吉红 申请人:华中科技大学