(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210736994.8 (22)申请日 2022.06.27 (71)申请人 西安交通大 学 地址 710049 陕西省西安市咸宁西路28号 (72)发明人 张俊　白乐乐　唐宇阳　张会杰　 赵万华　 (74)专利代理 机构 西安通大专利代理有限责任 公司 6120 0 专利代理师 钱宇婧 (51)Int.Cl. B23Q 17/09(2006.01) B23Q 17/20(2006.01) G06F 30/20(2020.01) (54)发明名称 基于切削力成分解耦的变工况刀具磨损监 测方法及系统 (57)摘要 本发明公开了基于切削力成分解耦的变工 况刀具磨损监测方法及系统， 根据刀位点文件离 线计算刀具 ‑工件啮合区域T WE； 离线计算刀具在 零件各位置处所允许的切削力。 采集数控机床主 轴振动数据， 根据获取的系统内部数据建立具有 标记刀具名称信息的数据集； 基于振动信号实时 估计刀具的切削力； 计算实际因刀具磨损而增加 的切削力和在零件精度约束下最大允许的因刀 具磨损而增加的理论切削力。 将实测与理论磨损 切削力实时作比较， 若实际刀具磨损程度大于理 论允许的刀具磨损程度则执行换刀， 否则继续监 测刀具状态 直到刀具磨损失效。 本发 明可实现变 负载下的刀具磨损监测， 基于零件精度约束实时 判定刀具是否磨损失效， 可最大限度利用刀具使 用寿命。 权利要求书3页 说明书9页 附图4页 CN 114905336 A 2022.08.16 CN 114905336 A 1.基于切削力成分解耦的变工况刀具磨损监测方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤S1： 根据零件结构特 征， 获取刀位 点文件； 步骤S2： 将刀位点数据输入到切削加工物理仿真模型中提取计算刀具 ‑工件啮合区域 TWE； 步骤S3： 通过锤击法， 获取机床刀尖点与传感器安装位置的跨 点频响函数 FRF； 步骤S4： 根据被加工零件某工序的表面粗糙度Ra要求转化成表面位置误差参数SLE， 计 算切削加工过程中刀具在零件各位置处最大允许的刀尖点激励力； 根据机床精度因子计算 得到因为刀具磨损而允许的最大切削力极限值； 步骤S5： 获取数控机床切削加工过程主轴振动数据， 根据获取的数据建立具有标记刀 具名称信息的数据集； 步骤S6： 对标记好的主轴振动数据进行去除趋势项， 低通滤波处理， 作为铣削力间接测 量模型的输入信号实时估计刀具的切削力， 用于刀具磨损切削力成分的解耦分离； 步骤S7： 将机床切参数据实时输入到铣削力实时仿真模型中， 结合刀具 ‑工件啮合区域 TWE与铣削力系数在线仿真铣削力， 作为 锋利刀具的测量切削力； 步骤S8： 将测量切削力、 仿真切削力数据片段， 通过快速傅里叶变换将两类切削力数据 转换至频域， 分别计算两类切削力频段区间内的频谱能量和， 利用测量切削力频谱能量和 减去仿真切削力频谱能量和， 得到反映刀具磨损信息的频谱能量和； 步骤S9： 在测量切削力、 仿真切削力频谱能量和基础上， 通过作商得到切削力比值指 标， 通过切削力比值指标来 监测刀具在时变切削工况 下的退化状态； 步骤S10： 基于步骤S4中得到零件切削加工过程中各个位置处最大允许的激励力， 通过 与步骤S7中的仿真切削力做差， 得到各个位置处最大允许的因为刀具磨损而增加的理论切 削力； 步骤S11： 将步骤S8中的实际刀具磨损而增加的切削力与 步骤S10中最大允许的因为刀 具磨损而增加的理论切削力作比较， 若实际刀具磨损程度大于理论 允许的刀具磨损程度则 执行换刀， 否则继续 监测刀具磨损状态直到刀具磨损失效。 2.根据权利要求1所述的基于切削力成分解耦的变工况刀具磨损监测方法， 其特征在 于， 零件表面 粗糙度Ra计算表达式为： 其中， Fx,Fy表示刀具在零件各位置处最大允许的刀尖点激励力， X,Y表示刀具刀尖点位 移， Hij表示机床频响。 3.根据权利要求1所述的基于切削力成分解耦的变工况刀具磨损监测方法， 其特征在 于， 因为刀具磨损而允许的最大切削力极限值； 计算表达为： FMT‑i＝Fi/ δ    (2) 其中， δ表示 考虑机床几何精度、 动态 精度性能的误差修 正系数。 4.根据权利要求1所述的基于切削力成分解耦的变工况刀具磨损监测方法， 其特征在 于， 步骤5具体包括通过三向加速度传感器、 电涡 流位移传感器采集机床切削加工过程中主 轴振动、 位移信号， 采集主轴 转速、 进给速度、 刀具齿数、 刀 具名称、 主轴X/Y/Z坐标数据； 通权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114905336 A 2过刀具名称将传感器数据与工艺指令数据进行关联， 形成具有标记刀具名称信息的数据 集。 5.根据权利要求1所述的基于切削力成分解耦的变工况刀具磨损监测方法， 其特征在 于， 步骤7中， 将主轴转速、 进给速度在线数据输入到铣削力实时仿真模型中。 6.根据权利要求1所述的基于切削力成分解耦的变工况刀具磨损监测方法， 其特征在 于， 步骤8具体包括： 步骤S8.1： 在截取切削力频段时， 确保数据片段长度大于或等于数据采样频率fs的倍 频， 使足够的频率分辨 率； 步骤S8.2： 在计算切削力频谱能量和时， 可选择有效频段 区间内的频率成分， 高频成分 可忽略不 考虑在内， 如频 段区间从切削频率1倍频至10倍频； 步骤S8.3： 在刀具磨损切削力成分解耦分离时， 直接通过做差法计算测量切削力与仿 真切削力之间的残差； 表达式为： ΔFx‑wear(jω)＝∑Fx‑mea(jω)‑∑Fx‑pre(jω)    (3) ΔFy‑wear(jω)＝∑Fy‑mea(jω)‑∑Fy‑pre(jω) 其中， ∑Fi‑mea(jω)表示测量切削力频谱能量和； ∑Fi‑pre(jω)表示仿真切削力频谱能 量和； ΔFi‑wear(jω)表示切削力残差频谱能量和。 7.根据权利要求1所述的基于切削力成分解耦的变工况刀具磨损监测方法， 其特征在 于， 切削力比值表达式： Ki‑MFR(jω)＝∑Fi‑mea(jω)/∑Fi‑pre(jω)    (4) 其中， Ki‑MFR(jω)表示 铣削力比值指标， i表示X,Y,Z三个方向。 8.根据权利要求1所述的基于切削力成分解耦的变工况刀具磨损监测方法， 其特征在 于， 步骤10中的表达式为： 9.基于切削力成分解耦的变工况刀具磨损监测系统， 其特 征在于， 包括： 切削力实时仿真模块： 根据零件结构特征， 获取刀位点文件； 将刀位点数据输入到切削 加工物理仿真模型中提取计算刀具 ‑工件啮合区域TWE； 切削力间接估计模块： 通过锤击法， 获取机床刀尖点与传感器安装位置的跨点频响函 数FRF； 根据被加工零件某工序的表面粗糙度R a要求转化 成表面位置误差参数， 从而计算切 削加工过程中刀具在零件各位置处最大允许的刀尖点激励力； 根据机床精度因子计算得到 因为刀具磨损而允许 的最大切削力 极限值； 获取数控机床切削加工过程主轴振动数据， 根 据获取的数据建立具有标记刀具名称信息的数据集； 对标记好的主轴振动数据进 行去除趋 势项， 低通滤波处理， 作为铣削力间接测量模型的输入信号 实时估计刀具的切削力， 用于刀 具磨损切削力成分的解耦分离； 将主轴数据输入到铣削力实时仿 真模型中， 结合刀具 ‑工件 啮合区域TWE与铣削力系数在线仿真铣削力， 作为锋利刀具的测量切削力； 将测量切削力、 仿真切削力数据片段， 通过快速傅里叶变换将两类切削力数据转换至频域， 分别计算两类 切削力频段区间内的频谱能量和， 利用测量切削力频谱能量和减去仿真切削力频谱能量权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114905336 A 3