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功率监控在机床工作原理中的应用

功率监控在机床工作原理中的应用

在切削过程中，由于机械摩擦和热效应等作用，刀具会产生磨损，这种磨损少则使刀具的几何形状受到改变，大则使刀具刃口烧坏，甚至崩落。
当磨损到一定程度时必须重磨，否则将影响工件的尺寸精度和表面粗糙度，降低产品质量，甚至报废。而对于尚能切削的刀具，若磨刀过于频繁，又使机床生产率降低、刀具材料的消耗加剧、劳动生产率下降，生产成本增加。
为此，机床操作工人必须在切削过程中，不断地对刀具的磨损加以监视，及时换刀、磨刀，才能克服上述弊病。这对于一人看管多台自动化机床操作的工人来说很苛刻的。
当前，靠人工监视刀具的磨损已远远不能适应自动化机床及自动化程度日益提高的要求，实现刀具磨损的自动监控是完善机床自动化、实现无人化必不可少的重要部分。国外对此已进行了大量的试验研究，日本、德国、美国、英国、荷兰等国已把刀具磨损的自动监控技术应用于实际生产中。
近年来，我们对刀具磨损自动监控的功率检测法及主轴轴向力检测法等进行了试验研究，已研制出功率监控保护装置——电脑功率监控器，现已广泛地投入使用。

1 功率监控原理
本功率监控装置是运用电动机的功率检测法原理工作的。即当机床进行切削时，随着刀具的磨损，机床主轴电动机的负荷及其电流，电压与电流间的相位置角将发生变化，导致功率改变。利用这一变化规律可实现对刀具磨损折断的微机动态在线自动监控。当功率改变到一定数值时(即刀具磨损到应重磨的程度)，自动检测监控装置发出报警信号，刀架自动退出，机床自动停止运转，操作工人即可及时换刀、磨刀和排除故障。

经过机床主驱动电动机的由电流传感器、电压传感器检出电流、电压信号，经低通滤波器后分别进行波形变换、整形，获得两个可调节的方波脉冲和直流电平信号。两个方波和直流信号送入到单片机的A/D转换器变成数字量信号，经过单片机的CPU进行比较，得到电机的功率值，再与预定的功率阈值进行比较达到自动监控。功率的检测是通过单片机进行动态采样运算，用荧光数码管显示出所检出的功率值。另一路输出控制电路、延时器，报警器、停机控制电路发出刀具磨损报警信号并使机床自动停止运转。对于不同的刀具、工件材料以及切削用量参数，可以靠预定值拨码来加以设定。在自动化机床、自动线上加工一批工件时，往往使用确定的工件材料、刀具和切削用量，所以只要在试切削时调整好上述参数，就能在以后的加工中确保刀具磨损时自动报警和停机。

2 电机功率检测的监控处理
电机功率是通过电流传感器、电压传感器经过单片机检测运算得出电机的输入功率，是各种损耗功率与切削功率之和。
PL＝Pf+Pc
式中 PL——电机输入功率
Pf——各种损耗功率总和
Pc——切削功率、包括切削状态各种信息
Pf＝Pi+Pa
Pi——空载损耗功率
Pa——与负载有关的附加损耗功率
Pa＝a·Pc
a——损耗功率系数
则
PL＝Pi+(1+a)Pc
通常在刀具钻头磨损中是基于(1+a)×Pc进行处理的。大量试验证明，Pi在切削过程中是缓慢波动的，尤其是机床达到稳定切削状态之前(开机空载预热2h或加载切削40min，机床进入稳定状态)，波幅可达±20%，这样计算Pc时Pi必须实时检测。研究表明依赖于动力传递路线和机床润滑状态，也在一定的范围内变化，通常可以对其有限变化略去不计。对功率数据的检测监控是基于净切削功率值时进行的。
根据刀具常规磨损曲线可知。如果在刀具的有效寿命内保持恒定的切削参数，那么整个切削过程的净功率值曲线(如图2)与刀具磨损曲线是一致的，如果中途改变切削参数(如图3)就会引起功率信号幅值变化，给磨损监控带来干扰。

A点是切削起始点(以切削参数①开始切削)；B点切削参数从①变化到②；C点切削参数从②变化至③。
有：
DP21=P+B-P-B
DP32=P+C-P-C
式中 P+B——切削参数②下初始点功率值
P-B——切削参数①下终点功率值
P+C——切削参数③下初始点功率值
P-C——切削参数②下终点功率值
DP21、DP32——切削参数变化时的功率突变值
实际实现时，P+B、P-B、P+C、P-C均取为若干点平均值。
在切削参数不变的情况下，经过一定的时间，当刀具的磨损功率达到预定的功率值时，就可进行检测来判断刀具的是否磨损；如果切削参数改变，则预定的功率值就得在此种切削参数下进行试验，得到所需的功率值。

3 实际应用
南京依威柯汽车有限公司的曲轴斜油孔加工机床上采用了电脑功率监控器保护钻头。该机床电控系统采用德国西门子公司生产的工业PLC为主控制单元。将电脑功率监控器的输出信号接入PLC的输入端，用软件即可实现其控制功能。该机床采用监控器来实现刀具过扭矩保护，监控器检测主轴电机功率值，主轴电机型号为Y90L-6B5，功率为1.1kW，因此选用监控器控制容量为1.1kW。监控器的输出信号常开点接PLC(输入点)，通过设计软件梯形图实现滑台快退，监控器测量启动开关接点接PLC(输出点)，用软件实现监控器的延时功能，用于保护电机启动时大电流对监控器的冲击，以免产生误动作。

在实际机床中，将主轴电机的任一相串接至监控器的电流端，任两相并接至监控器的电压端。监控器的继电器输出端接至PLC基本单元的输入端，监控器的测量开关接点接至PLC单元的输出端。

机床主轴启动后，延时1秒，PLC输出接测量开关接点接通，监控器开始测量，投入监控保护状态。当由于某种原因过扭矩时，监控器继电器输出端两点接通，PCL发出指令，将滑台快退。

监控器预定值的设置是通过反复试验得到的，首先设置值比正常工作值稍大一些，经过试验*终得到比刀具破损点的数值略小。若工作过程中出现异常超值现象，则机床滑台快退。操作者可分析是工件过硬还是刀具变迟钝，以便及时处理。该机床投入使用后，运行一直良好。

通过功率监控器在曲轴斜油孔加工机床的使用可看到：枪钻、枪铰和其它钻床刀具的折断、机床刀具的磨损破损监控、扭矩控制等都可采用这种方式进行监控保护，在实际中也得以验证。因此，在机床中可以使用功率监控，其监控器具有广泛的应用价值。