铝合金高速干切削过程智能监控及工艺研究

　　行业:

　　产品:

声音与振动, PXI/CompactPCI, 软件

　　挑战:

采用很高的主轴转速、刀具进给速度以及不使用切削液，使得加工过程变得更加复杂和充满变数，刀具的磨损、崩刃、温度过高等危险性显著增加。因此出于加工的效率、精度、安全性和绿色制造方式考虑，研究一套性能稳定功能齐全的在线加工过程监控系统成为一个挑战。

　　解决方案:

通过虚拟仪器软件开发环境(LabVIEW)设计出具有信号实时采集和存储、采集参数设置、信号动态显示、信号基本特征的实时抽取等基本功能的各类虚拟仪器面板。对切削过程中各加工信号进行可视化采集和综合分析处理。

"虚拟仪器以计算机为统一的硬件平台，配以具有测试和控制功能硬件接口卡，通过系统管理软件的统一指挥调度来实现传统测控仪器的功能。与传统仪器相比，虚拟仪器在智能化程度、处理能力、性能价格比、可操作性等方面都具有明显的技术优势。"

　　介绍：

目前大型、整体航空结构件加工周期很长，如果加工过程中出现问题，导致零件报废，成本损失很大。另外出于安全性的考虑，相当一部分的高速机床主轴实 际转速偏低，切削用量欠优化，高速机床低速使用，一方面造成设备和机床功率的浪费，另一方面使高速主轴因长期承受重载荷而寿命降低。但采用很高的主轴转 速、刀具进给速度以及不使用切削液，使得加工过程变得更加复杂和充满变数，刀具的磨损、崩刃、温度过高等危险性显著增加。所以对加工过程的在线监控，实时 掌握并控制加工进程中的状态，据此来研究、优化工艺参数，预报和避免一些危险状态的出现显得尤为重要。

　　一、项目背景：

该课题是航空科学基金项目，项目编号：2007ZE56008。

我国自20世纪90年代初开始高速切削技术方面的研究，工业发达国家在20世纪90年代中期把研究和开发的重点转向了干加工。干式切削是指在切削加 工中不使用切削液的工艺方法。从目前国内外的情况来看，采用纯粹的干切削特别是高速干切削还存在一定困难。因为没有切削液,其冷却、润滑及排屑作用就会丧 失, 产生更多的摩擦和粘附现象,使得刀具寿命变短、生产效率降低。所以,其应用范围还很有限。而传统的湿式切削又有诸多不足。因此介于两者之间的最少量润滑技 术MQL有着极为广阔的应用前景。

目前国内外在高速切削和干切削方面的研究主要侧重在刀具材料、涂层、装夹以及机床等方向。在加工过程监控方面重视不够。本项目主要对高速干切削(采用MQL)过程用多种传感器进行监测，并对其进行主动模糊控制。

建立了基于多传感器的飞机结构件高速铣削过程监测软硬件系统。对数据采集卡、传感器(振动、功率、温度)型号及安装位置进行了论证;基于LABVIEW，用面向组件的方法建立了数据采集虚拟仪器系统。

用不同磨损状态的铣刀，基于不同的切削参数和切削条件，对碳钢、航空铝合金材料进行了多次高速铣削试验;对所采集的信号进行了时域、频域和时-频域 分析，总结了不同铣削状态所对应的信号特征;基于Kolmogorov-Smimov检验理论(KS检验)，能够对刀具磨损状态进行在线识别。

　　二、系统整体框架简介

整个系统分为硬件平台(实验平台)和软件平台(开发环境及应用环境)两部分。

1、硬件平台设计与实现

系统总体硬件框图如下：

　　图1 系统总体硬件框图

由图1可以看出硬件部分主要由振动传感器、温度传感器、功率传感器、信号调理模块、MQL系统和数据采集卡等组成。

该系统主要由数据采集卡PCI-6220通过各个传感器分别采集到高速干切削加工过程中的振动信号、温度和功率信号，将采集到的信号反馈到主控计算 机，由预先编制好的虚拟仪器(LabVIEW)程序进行实时数据处理提取其特征值并存储，通过LabVIEW程序中的模糊控制模块间接控制MQL系统以实 现冷却润滑物喷射到干切削工作台的流速大小，从而完成整套闭环系统。系统运行现场参见图2：

　　图2 系统运行现场

　　2、软件平台设计与实现

　　2.1 系统软件框架

基于LABVIEW平台构建信号采集、显示、存储、分析的数据监测软件系统。软件设计采用了面向组件的设计思想，把一个完整的程序分成若干个功能相 对独立的较小的程序模块抽象出来，各个程序模块分别进行设计、编制和调试，最后再将各个模块链接起来总调，采用DMA处理方式保证了刀具状态识别的实时 性。系统由以下组件组成：系统初始化和自检模块，参数设置模块(传感器参数、通道增益及采样频率和采样点数等设置)，信号分析与处理模块，数据管理与诊断 模块和模糊控制模块等。其结构和系统界面如图3，4所示:

　　图3 高速干铣削过程监测软件模块结构图

图4 高速干铣削过程监