CN118219006A - 用于获知摩擦配合地容纳在刀具夹具中的刀具的滑转的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于获知摩擦配合地容纳在刀具夹具4中的刀具6的滑转的方法和装置。通过评估刀具6的周期性过程信号的相位和/或周期长度获知摩擦配合地容纳在刀具夹具4中的刀具6的滑转。

Description

用于获知摩擦配合地容纳在刀具夹具中的刀具的滑转的方法 和装置

本发明涉及一种用于获知摩擦配合地容纳在刀具夹具中的刀具的滑转的方法和装置，该刀具例如是在尤其以几何形状确定的刃口进行切削加工时位于卡盘中的立铣刀。

对材料进行切削加工是制造技术的一个分支领域，并且涉及借助机床对由确定的、可能难以切削加工的材料(例如钛合金)制成的工件进行加工。

众所周知，在对尤其是由难以切削加工的材料制成的工件进行切削加工时，可能发生轴向滑移以及由此引发的刀具脱出，这可能导致已制造零件的品质受损，或者甚至导致刀具破损，例如提到的立铣刀的破损。

理论上，发生刀具脱出可能源于在刀具-刀具夹具摩擦力配合连接下出现轴向滑移。其原因是轴-毂连接或刀具-刀具夹具连接的压配合处的与负载相关的应力下降，从而弱化了连接并且使轴-毂之间或刀具-刀具夹具之间可能发生相对滑动运动。

这种在轴向方向上的滑动运动可以在下文中简明地被称为轴向滑移或脱出，这种在周向方向上的滑动运动被称为滑转。

因此，现有的用来防止在刀具摩擦配合地容纳在刀具夹具中时的滑移和刀具脱出的解决方案的目的要么在于改善刀具与刀具夹具之间的摩擦配合，例如通过激光引起刀柄表面粗糙化(由此增大配合面处的附着系数且显著减少滑移)，要么在于通过附加的形状配合支持刀具-刀具夹具连接，例如在“安全锁(Safe-Lock)”(通过锁定元件)的情况下。

后一种“形状配合支持的”解决方案可能从根本上是不利的，因为在刀具与刀具夹具之间产生了超定的连接，不再能够实现对刀具-刀具夹具系统进行精确的数学描述，因此无法对构件的机械性能进行预测。此外，提到的两种解决手段(即改善摩擦配合和通过附加的形状配合来进行支持)还需要结构性措施，从而提高了刀具成本和制造成本。

本发明的目的是提供一种解决方案，通过该解决方案可以识别和/或防止和/或补偿刀具脱出，而没有如现有技术中那样的缺点。

该目的通过具有相应独立权利要求的特征的用于获知摩擦配合地容纳在刀具夹具中的刀具的滑转的方法和装置来实现。

本发明的有利改进方案是从属权利要求和以下描述的主题，并且也适用于根据本发明的方法和根据本发明的装置。

在必要时所使用的术语，如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”或“右”应根据通常的理解、同时应考虑本文附图来进行理解，除非另有明确定义。术语，如“径向”和“轴向”，如果被使用但未明确定义，则应参考在此描述的构件/部件的中心轴线或对称轴线、同时应考虑本文的附图来进行理解。

只要使用，那么术语“基本上”(根据最高法院的理解)可以理解为，它指的是“实际上仍然相当大的程度”。由于制造或组装公差等原因，可能会无意中(即没有功能性理由)产生与通过该术语所隐含的精确性的可能偏差。

在用于获知摩擦配合地容纳在刀具夹具中的刀具的滑转的方法中提出，通过评估刀具的周期性过程信号的相位和/或周期长度获知摩擦配合地容纳在刀具夹具中的刀具的滑转。

在此，刀具的“过程信号”是指在刀具的(加工)过程期间可检测的、代表该过程的信号(例如在工件加工时机床的主轴电流)，或者通过在刀具上、在刀具夹具上或在机床上的传感机构可产生的、代表该过程的信号(例如刀具所受负载)。

“周期性”还意味着以周期或通过“周期性”过程信号的周期反映在过程中周期性(时间上)重复地反复发生的事件。

这种在过程中周期性反复发生的事件可以是在对工件进行切削加工时例如切削刀具(例如铣削刀具)的齿啮合，该齿啮合可以例如以主轴电流或负载(例如力信号、加速度信号和/或振荡信号)被识别为本发明能利用的周期性过程信号。

根据本发明提出的用来识别和/或防止和/或补偿刀具脱出的解决方案首先基于如下认识：刀具脱出的原因在于，在负载旋转下摩擦力配合的刀具-刀具夹具连接的轴向滑移(例如在工件的(加工)过程中，例如在对工件的切削加工中)与扭转(即滑转)叠加，因此出现了(刀具在刀具夹具中)螺旋状的运动形式/滑动运动。

简而言之，轴向滑移和滑转总是一起发生。

如果(在负载下或过程中)可以识别出滑转，则还可以由此推断出存在轴向滑移，进而推断出刀具脱出。

滑转与轴向滑移之间的相关关系还可以实现定量地获知刀具脱出，即简明地说就是刀具脱出长度。例如，在已知(刀具)脱出螺旋角的情况下，根据滑转可以获知轴向滑移或刀具脱出/刀具脱出长度。

明确地说，基于刀具的周期性过程信号根据本发明以数据驱动的方式实现滑转识别。

就此而言重要的是这种过程信号(比如(本发明利用的)过程信号的相位和/或周期长度)的周期性特性。在此应识别周期性过程信号的相位或其相位位置和/或周期长度在发生滑移或滑转时变化。

可以通过(与尤其是产生的、“理想的”(即“无滑移(滑转)的”)参考信号)比较来获知变化，并且因此可以识别滑转。

明确地说，滑转将反映在周期性过程信号的振荡特性中或者将使提到的特性(即相位或相位位置和/或周期持续时间/周期长度)变化。

此外并从数学方面来说，滑转引起在事件频率下与时间相关的相位位置。

例如，可以通过将周期性过程信号或其相位/相位位置与例如人工产生的、尤其是“理想的”参考信号或其相位/相位位置进行比较来获知或计算得出(在事件频率下)与时间相关的相位位置。相应的内容同样适用于由滑转引发的周期长度。

在此简化地，在周期性过程信号本身中比较周期长度和/或分析相移就足够了。

换句话说，(在过程期间的)滑转将引起周期性过程信号中的可分析的相移和/或可分析的周期长度发生变化。

对周期性过程信号的相位和/或周期长度的数据驱动式分析识别或得出摩擦配合地容纳在刀具夹具中的刀具的滑转。如果因此识别出滑转，则也存在轴向滑移和刀具脱出。通过相应地监控滑转，可以补偿所出现的刀具脱出和/或可以在相应地调整过程参数之后防止进一步的刀具脱出。

相应的内容适用于刃口角位置已限定的刀具。在发生滑转时，可以确定滑转角并且通过适当的措施补偿和/或防止进一步的滑转。

数据驱动式手段在避免刀具脱出方面节省了昂贵的结构性措施(参见上述的现有技术中的第一解决手段和第二解决手段，即改进摩擦配合和通过附加的形状配合来进行支持)并且提供更通用的解决方案，因为可以实现与刀具-刀具夹具连接的设计方案不相关的监控或控制。

实施要求低，仅需存在或检测周期性过程信号(这可能已经存在，例如是主轴电流的情况，而无需存在附加的传感机构)，根据该周期性过程信号能识别(对于刀具典型的)周期性反复发生的事件(例如齿啮合或齿啮合频率)。

此外，该分析方法对于干扰和噪声是稳定的，因为这些信号分量例如通过带通滤波器被滤波。由于实时功能，可潜在地设想完全补偿刀具脱出。

特别适宜的是，周期性过程信号是主轴电流，因为在这种情况下机床内部数据就足够并且不需要附加的测量设备或传感机构。周期性过程信号还可以是力信号、加速度信号和/或声学或其他类型的振荡信号，这可以通过(在刀具、刀具夹具和/或机床/主轴上的)相应的传感机构来实现。

通过改进方式还可以提出，刀具是切削刀具，尤其是铣削刀具、车削刀具、磨削刀具或钻削刀具，尤其是立铣刀，和/或刀具夹具是卡盘，尤其是收缩卡盘、夹钳卡盘、液力膨胀卡盘或HG卡盘。

此外有利的是，对周期性过程信号进行滤波、平滑、标准化和/或消除周期性过程信号的趋势，以便使得周期性过程信号的幅度曲线最大限度地与过程参数不相关。简明地说，将(随时间的)误差影响从周期性过程信号中去除。这在随后对刀具-刀具夹具连接的滑移行为进行分析和/或对该连接进行优化时可以是特别有利的。

尤其以改进方式还可以提出，将周期性过程信号与尤其人工产生的周期性参考信号进行比较。

在此(针对比较)有利的是，尤其人工产生的周期性参考信号也将在周期性过程信号中周期性重复的事件作为周期性重复的事件包括在内。

以改进方式还可以提出，比较周期性过程信号中的相位和/或周期长度。简而言之，这里确定周期性过程信号本身之内的相位和/或周期长度的变化，而无需生成或使用另一种比较信号，例如前述的周期性参考信号。如果假设滑转会突然发生或在过程中的特定时间发生，则这一周期将具有比周期性过程信号中的在先和/或在后的周期更长的周期长度。

以改进方式或进一步地可以提出，如果比较指示有变化，则推断出滑转。进一步可以推断出轴向滑移，并且再进一步推断出刀具脱出。因此，还可以使用(刀具)脱出螺旋角根据滑转定量地确定刀具脱出。

通过对滑转或轴向滑移和/或刀具的相应监控、尤其是实时监控，可以例如通过调整过程参数来防止刀具脱出。换言之，如果获知的滑转超过可预先规定的边界值，则可以中止过程和/或可以改变其过程参数、尤其是切削参数，或者可以补偿根据滑转获知的刀具脱出。

尤其也有利的是，周期性过程信号与周期性参考信号的比较在频域内实现。

这里还可以提出，使用傅里叶变换、尤其是短时傅里叶变换在频域内映射周期性过程信号和周期性参考信号。

此外可以有利的是，在将周期性过程信号与周期性参考信号进行比较时确定周期性过程信号与周期性参考信号之间的相位差，并且根据相位差的变化、尤其是时变推断出滑转。

在此还可以提出，初始化周期性参考信号的偏移量，使得在比较开始时周期性过程信号和周期性参考信号之间的相位差等于零。

该方法可以以特别有利的方式用于获知摩擦配合地容纳在卡盘中的立铣刀的滑转，其中，周期性过程信号是主轴电流、振荡信号或力信号，并且周期性过程信号所依据的周期性重复的事件是齿啮合。

该方法还可以有利地用于获知容纳在刀具夹具中的刀具、尤其是摩擦配合地容纳在卡盘中的立铣刀的刀具脱出，其中，使用(刀具)脱出螺旋角根据滑转获知刀具脱出。

用于获知摩擦配合地容纳在刀具夹具中的刀具的滑转的装置设置有评估单元，该评估单元被配置成实施如上所述的用于获知摩擦配合地容纳在刀具夹具中的刀具的滑转的方法。

特别有利的是，该装置用于机床，尤其是带有摩擦配合地容纳在刀具夹具中的刀具的机床。在此可以进一步有利的是，必要时机床、刀具夹具和/或刀具具有传感机构，该传感机构被配置成检测周期性过程信号。

本发明的有利设计方案的以上说明包含许多特征，这些特征在单独的从属权利要求中以部分地组合成多个特征的方式展现。然而，这些特征还可以便利地被单独看待，并且还在这些组件/装置与方法之间组合成其他有意义的组合。

即使在说明书中或在专利权利要求中分别以单数或与数量词结合地使用若干术语，本发明的用于这些术语的范围也不应受限于单数或相应的数量词。另外，词语“一个”或“一种”并不理解为数量词，而是不定冠词。

以上所描述的本发明的特性、特征和优点以及其实现的方式方法，在结合了对以下结合一个或多个附图/图示详细阐释的本发明实施例的说明的情况下将变得更清楚且更容易理解(相同的构件/部件和功能在附图/图示中具有相同的附图标记)。

这些实施例用于阐述本发明，并且本发明并不受限于其中给出的特征组合，而且在功能特征方面也不受限。此外，每一个实施例的适合于此的特征还可以明确地被单独看待，将其从某个实施例中删掉、为了补充另外的实施例而将其引入另外的实施例中和/或与权利要求中的任意一项相组合。

在附图中：

图1a、图1b、图1c示出根据本发明的实施方案的机床，该机床具有摩擦配合地容纳在刀具夹具中的刀具(图1b是单独的刀具夹具；图1c是单独的刀具)；

图2示出表示刀具脱出和相移之间的几何关系的图示；

图3示出具有刀具脱出和不具有刀具脱出的周期性过程信号的相位曲线。

在切削加工时对(旋转的)摩擦力配合的刀具-刀具夹具连接的滑移/刀具脱出的数据驱动式识别

图1a示出了机床2，在此为铣床2，该机床具有摩擦配合地容纳在刀具夹具4中的刀具6，该刀具夹具在此为(在图1b中详细且单独示出的)夹钳卡盘4，该刀具在此为(在图1c中详细且单独示出的)立铣刀6(该立铣刀具有N＝5的刀具刃口和D＝16mm的刀具直径)，该机床被配置为用于对例如由钛合金制成的工件(未示出)执行切削加工。

机床2还配备有相应的、即相应配置的评估单元8，以便在切削加工时检测和监控滑移或刀具脱出。

对滑移(即滑转和轴向滑移或刀具脱出)的监控或识别在此以数据驱动的方式根据(在切削加工过程中以测量技术检测到的)(周期性)过程信号、即在本文的情况下是机床2的可在机床内部控制装置10中截取的或(在此作为数据)存在的主轴电流y_Sp来实现。

监控的数学基础

示例1：通过过程信号与(人工生成的)参考信号的比较进行分析

在预处理(数据预处理)的范围内，首先消除过程信号中或主轴电流y_Sp中的周期性曲线的趋势。然后对过程信号进行标准化，使得幅度曲线最大限度地与过程参数不相关。

根据已知的过程参数：切削速度v_C、刀具直径D和刀具刃口数量N，(人工)生成要与过程信号进行比较的参考信号y_ref(t)。

在添加辅助参量：转速n(n＝v_C/π*D)和齿啮合频率f_齿(f_齿＝N*n)后，针对参考信号y_ref(t)得到简单的正弦曲线：

在此，首先将偏移量初始化，使得在参考信号与过程信号或主轴电流之间的相位差在监控时段开始时等于零。

一旦产生了人工参考信号，就可以最终推断出相位差现在，使用短时傅里叶变换在时频域内映射在(要监控的过程的)整个时间段内的信号，然后根据齿啮合频率比较这些信号：

如果滑移或滑转和轴向滑移以及增大的刀具脱出导致较高的相移和相位差，则可以根据相位差(如下所示示例性地针对(测试)过程)在切削加工时识别和监控滑移或刀具脱出。

能调设的最大允许的相位差(对应于最大允许的滑移或最大允许的刀具脱出)可以存储在机床内部控制装置10中，并且(在实时监控下)可以引起机床2自动关断。

示例2：对过程信号进行分析

替选手段假设时间序列数据的信号量为N，它是主轴一转期间检测到的数据点的k倍数。

根据公式(1)，这可以通过将k转的数量乘以采样频率f_s与旋转频率f_rot之比来计算得出。

前提条件是，该信号必须足够灵敏，以便识别出周期性齿啮合。灵敏度可以根据齿啮合频率下的信号幅度的信噪比来量化，该信噪比必须至少大于0dB。

齿啮合频率f_t可以描述为旋转频率f_rot的n_t倍数，其中，n_t是切削刃的数量。

f_t＝n_t·f_rot 公式(2)

首先，将时间序列信号变换到谱域，以便确保更好地表示在齿啮合频率下的信号幅度。对于给定的离散时域信号y_n，离散傅里叶变换定义如下：

经变换的频域信号Y(f_k)现在由复数数据点组成，这些数据点可以分解为值和相位：

Y(f_k)＝Re{Y(f_k)}+i·Im{Y*f_k)} 公式(4)

其中

以及

公式(5)和公式(6)以和分别被称为幅度谱和相位谱。在齿啮合频率下的信号量被视为与齿啮合相关的信号灵敏度的度量，而 表示识别刀具滑转或刀具脱出的主要度量。

因此，持续地计算最后得到的数据包的当前相位与最先得到的数据包的相位之间的相位差，以便量化在过程期间的扭转。

相位差与刃口数量n_t之比描述了刀具与刀具夹具之间相对旋转的角位移(圆周角、滑转)。

然而为了得到与相对的轴向运动相关联的新的刀具偏移，需要执行另外的计算。

因此，旋转运动的圆周角首先被折算成弧长Δu，如图2所示，该弧长又与刀具直径D_t相关：

接下来，如图2所示，引入β作为在刀具脱出时螺旋状运动的(刀具)脱出螺旋角β。由此，相对的轴向刀具位移可以确定如下：

基于测试过程验证监控(参见表1和图3)

用于待监控的过程的过程信号源于在通过同向铣削来加工工件6的情况下对机床2进行的铣削测试。

使用扭矩扳手藉由锁紧螺母12将刀具6固定在刀具容纳部4中(在测试(a)中拧紧力矩较高(这里为136Nm)，在测试(b)中拧紧力矩较低(这里为56Nm至80Nm))，由此将刀具6(在测试(a)中以更大程度而在测试(b)中以更小程度)摩擦配合地容纳在刀具夹具4中。

锁紧螺母12的(根据测试(a)和测试(b)的)不同拧紧力矩进而引起在刀具6与刀具容纳部4之间构成不同的压配合。减小的拧紧力矩(如根据测试(b))引起压配合压力较弱，因此构件连接容易滑移和脱出。

切削参数(齿进给f_z(参见表1的各列所示)以及径向工作啮合a_e(参见表1的各行所示))根据预测试来选择，使得可以以受控方式防止或允许脱出。

在每次测试之后，使用激光传感器测量刀具6的刀具长度(未示出)。通过参考(测试之前的)初始长度，最终可以确定存在的刀具脱出。这相应地被填入表1的单元格中。

表1示出了对机床2执行的脱出测试(a)和(b)的概览。切削速度v_c和轴向工作啮合a_p均保持不变为80m/min和45mm。

表1：

(a)锁紧螺母的拧紧力矩：136Nm(最大)

(b)锁紧螺母的拧紧力矩：56Nm至80Nm(减小)

图3中示例性地示出了表1中突出显示(粗体)的相位差曲线，这些曲线在各自的线性铣削过程期间根据机床内部控制装置8的机床内部控制数据的主轴电流数据来获知。

从图3中可以看出，没有刀具脱出(脱出＝0μm)的相位差曲线保持恒定，而有刀具脱出(脱出＝775μm和脱出＝924μm)的相位差曲线具有下降趋势。

这意味着，增大的刀具脱出会引起更高的相移这一事实能够得到验证。这种因果关系在统计学上通过重复测试得到证实。

数据驱动式手段在识别、避免或补偿刀具脱出时节省了昂贵的结构性措施，并且提供了更通用的解决方案，因为可以实现与过程参数不相关的监控或控制。

实施要求低，只需要检测周期性过程信号(如在此为主轴电流)，就能根据它识别出齿啮合频率。

(使用主轴电流的)测试表明，机床内部数据(如果有的话)就足够，不需要附加的测量设备。

此外，该分析方法对于干扰和噪声是稳定的，因为这些信号分量通过带通滤波器被滤波。由于实时功能，可潜在地设想完全补偿脱出。

虽然已经通过优选实施例详细展示并说明了本发明的细节，但本发明不受所公开的示例的限制，并且在不背离本发明保护范围的情况下可以由此推导出其他变体。

附图标记清单：

2 机床

4 刀具夹具、卡盘、夹钳卡盘

6 刀具、铣削刀具、立铣刀

8 评估单元

10 机床内部控制装置

12 锁紧螺母。

Claims (14)

1.一种用于获知摩擦配合地容纳在刀具夹具4中的刀具6的滑转的方法，

其特征在于，

通过评估所述刀具6的周期性过程信号的相位和/或周期长度获知摩擦配合地容纳在所述刀具夹具4中的刀具6的滑转。

2.根据前述权利要求中任一项所述的用于获知摩擦配合地容纳在刀具夹具4中的刀具6的滑转的方法，

其特征在于，

所述周期性过程信号是电信号、优选是主轴电流，力信号，加速度信号，光学信号，声学信号和/或振荡信号。

3.根据前述权利要求中任一项所述的用于获知摩擦配合地容纳在刀具夹具4中的刀具6的滑转的方法，

其特征在于，

所述刀具6是切削刀具，尤其是铣削刀具、车削刀具、磨削刀具或钻削刀具，尤其是立铣刀，和/或所述刀具夹具是卡盘，尤其是收缩卡盘、夹钳卡盘或液力膨胀卡盘。

4.根据前述权利要求中任一项所述的用于获知摩擦配合地容纳在刀具夹具4中的刀具6的滑转的方法，

其特征在于，

对所述周期性过程信号进行滤波、平滑、标准化和/或消除所述周期性过程信号的趋势。

5.根据前述权利要求中任一项所述的用于获知摩擦配合地容纳在刀具夹具4中的刀具6的滑转的方法，

其特征在于，

将所述周期性过程信号与尤其人工产生的周期性参考信号进行比较，其中，尤其人工产生的所述周期性参考信号尤其也将在所述周期性过程信号中周期性重复的事件作为周期性重复的事件包括在内，和/或，比较所述周期性过程信号中的相位和/或周期长度和/或所述周期性参考信号。

6.根据前一项权利要求所述的用于获知摩擦配合地容纳在刀具夹具4中的刀具6的滑转的方法，

其特征在于，

如果所述比较指示有随时间改变，则推断出滑转。

7.根据前述权利要求5或6中任一项所述的用于获知摩擦配合地容纳在刀具夹具4中的刀具6的滑转的方法，

其特征在于，

所述周期性过程信号与所述周期性参考信号的比较在频域内实现，尤其其中，使用傅里叶变换、尤其是短时傅里叶变换在所述频域中映射所述周期性过程信号和所述周期性参考信号。

8.根据前述权利要求5至7中任一项所述的用于获知摩擦配合地容纳在刀具夹具4中的刀具6的滑转的方法，

其特征在于，

在将所述周期性过程信号与所述周期性参考信号进行比较时确定所述周期性过程信号与所述周期性参考信号之间的相位差，并且根据所述相位差的变化、尤其时变推断出所述滑转。

9.根据前述权利要求5至8中任一项所述的用于获知摩擦配合地容纳在刀具夹具4中的刀具6的滑转的方法，

其特征在于，

初始化所述周期性参考信号的偏移量，使得在所述比较开始时所述周期性过程信号和所述周期性参考信号之间的相位差等于零。

10.根据前述权利要求中任一项所述的用于获知摩擦配合地容纳在刀具夹具4中的刀具6的滑转的方法，

所述方法用于

获知摩擦配合地容纳在卡盘4中的立铣刀6的滑转，其中，所述周期性过程信号是主轴电流、力信号或振荡信号，并且所述周期性过程信号所依据的周期性重复的事件是齿啮合。

11.根据前述权利要求中任一项所述的用于获知摩擦配合地容纳在刀具夹具4中的刀具6的滑转的方法，

所述方法用于

获知容纳在刀具夹具4中的刀具6、尤其是摩擦配合地容纳在卡盘4中的立铣刀6的刀具脱出，其中，使用(刀具)脱出螺旋角根据所述滑转获知所述刀具脱出。

12.根据前述权利要求中任一项所述的用于获知摩擦配合地容纳在刀具夹具4中的刀具6的滑转的方法，

其特征在于，

如果获知的滑转超过可预先规定的边界值，则中止过程和/或改变过程的过程参数、尤其是切削参数，或者补偿根据所述滑转获知的刀具脱出。

13.一种用于获知摩擦配合地容纳在刀具夹具4中的刀具6的滑转的装置，

其特征在于，

评估单元，所述评估单元被配置成实施根据前述方法权利要求中任一项所述的用于获知摩擦配合地容纳在刀具夹具中的刀具的滑转的方法。

14.根据前述装置权利要求中任一项所述的用于获知摩擦配合地容纳在刀具夹具4中的刀具6的滑转的装置，

所述装置用于

机床2，尤其是带有摩擦配合地容纳在刀具夹具4中的刀具6的机床，其中，必要时所述机床2、所述刀具夹具4和/或所述刀具6具有传感机构，所述传感机构被配置成检测所述周期性过程信号。