基于數控機床主軸電流的刀具磨損測試系統仿真

胡美君，陳 棟，郭偉剛

（杭州職業技術學院友嘉機電學院，浙江杭州 310018）

0 引言

在機械加工中，刀具的加工狀態影響加工質量。刀具作為數控機床加工的重要部件，如果在加工過程中發生非正常過度磨損或損壞，即使被發現，已經浪費了大量工時，而且對工件帶來不可逆的損壞。如果對刀具狀態進行實時在線檢測，當刀具發生非正常磨損或損壞時，及時停機和報警，可以提高加工效率和質量。刀具狀態作為機床健康診斷的重要參數之一，具有非常重要意義。近年來，不少研究人員對刀具磨損在線檢測進行了大量研究[1-2]。

目前對刀具磨損狀態檢測的方法有很多。有切削力檢測法，即在主軸上安裝多維力傳感器來實時監測切削力的變化情況，獲得刀具狀態。該方法需要改變主軸結構，不太方便；主軸電機電流變化法則利用切削力的變化會引起主軸電機相應電流變化的原理[3-4]，對主軸電機電流進行實時在線監測，通過一定算法，提取主軸電機負載的變化信息，然后得到刀具磨損狀態。這種方法比較方便，不需要對機床進行改造，有利于大規模推廣。本文利用測功機搭建電機負載變化模型，通過改變主軸電機負載大小，主軸電機的電流相應發生變化。

1 系統硬件組成

本研究由制動器、主軸電機、傳感器、上位機等組成刀具破損監測系統。制動器的扭矩輸出軸和電機主軸通過柔性聯軸器聯接。制動器用于模擬負載加載平臺，對主軸電機進行加載，改變主軸電機的扭矩大小，從而改變其電流。系統中電機功率為3.7 kW，極數為2；扭矩轉速傳感器為CGQY-3，該傳感器采用應變電測原理，在應變軸上加測速碼盤，可以測出電機轉速和測功機輸出扭矩。制動器采用轉矩量程為30 N·m的CC-30ZW 電渦流制動器。轉矩轉速測量儀型號為WLK-5A，該測量儀可以顯示轉速和扭矩，并可以對制動器進行手動調節扭矩，也可以利用PLC 對其進行自動控制。上位機可以顯示電流變化曲線。測試系統結構如圖1 所示。

2 仿真分析

2.1 仿真模型

根據測試系統的結構圖，在MATLAB/SIMULINK 中建立仿真模型（圖2）。其電機參數值為額定功率3.7 kW，額定電壓380 V，額定轉速1500 r/min，定子繞組Rs=0.034 61，Ls=0.044 84 H，轉子繞組Rr=0.034 7，Lr=0.044 84H，互感系數Lm=1.827 H，轉動慣量J=0.5 kg·m2，阻尼系數Kd=0，極對數P=2。分別對電機的轉子參數和機械特性進行仿真。

圖1 測試系統結構

圖2 仿真模型

2.2 三相電流的變化

在電機啟動后1 s，負載由1 N·m 變為3 N·m。在1 s 處電機轉子電流進行重新分配，變大，這說明當電機負載增大時，轉子電流相應增大。電流峰值達到4.3 A，RMS 值為3.05 A。

2.3 電流峰值和RMS 值的變化

當轉速不變時，增加制動器的扭矩，則電流也隨之增加。表明當刀具磨損或破損后，由于切削量的改變，導致主軸電流增大。

3 結論

通過制動器模擬電機負載的變化，對數控機床主軸電機電流進行仿真。仿真結果顯示，對主軸電機電流的監測，確實可以得到作用在主軸電機上負載的變化信息；通過主軸電機上負載的變化信息，可以推斷出刀具磨損的程度。文中仿真得到的有關數據和信息，可以給機床刀具在線檢測系統的優化提供一定借鑒意義。