一种五轴加工中心刀具磨损在线监测补偿系统及其方法与流程

本发明涉及数控加工，具体是指一种五轴加工中心刀具磨损在线监测补偿系统及其方法。

背景技术：

1、五轴加工中心因其能够实现复杂曲面零件的高效精密加工，在航空航天、模具制造及医疗器械等领域得到广泛应用。

2、然而，五轴加工过程中刀具与工件相对姿态持续变化，切削载荷复杂多变，刀具磨损速率快且磨损形态多样，严重影响加工精度与表面质量。

3、现有刀具管理主要依赖定时更换或离线检测，离线检测需停机拆卸刀具，检测周期长，无法及时反映加工过程中的刀具真实磨损状态，导致在两次检测之间可能使用已严重磨损的刀具继续加工，造成零件超差甚至报废；

4、而现有在线监测多针对三轴加工场景，缺乏对五轴联动加工中刀具姿态动态变化引起的切削力、振动及声发射信号耦合特性的有效解析手段，磨损识别精度低。

5、因此，亟需一种能够实现五轴加工过程中刀具磨损状态实时监测、磨损量精准计算及补偿值在线写入执行的监测补偿系统。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是，克服以上技术缺陷，提供一种能够实现刀具加工状态数据的实时采集、磨损特征的智能提取与磨损量计算、补偿值的实时映射生成的一种五轴加工中心刀具磨损在线监测补偿系统及其方法。

2、为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种五轴加工中心刀具磨损在线监测补偿系统，包括五轴加工中心本体，所述五轴加工中心本体包括x轴、y轴、z轴三个直线轴及a轴、c轴两个旋转轴，以及装夹于旋转轴上的主轴，所述主轴上装夹有刀具，还包括数据采集模块、磨损监测模块、补偿计算模块及执行补偿模块；

3、所述数据采集模块与主轴或刀具对应设置，采集刀具加工过程中的状态数据；

4、所述磨损监测模块与数据采集模块连接，对状态数据进行特征提取，获取刀具磨损特征参量，并根据刀具磨损特征参量计算刀具磨损量；

5、所述补偿计算模块与磨损监测模块连接，根据刀具磨损量计算刀具补偿值，所述执行补偿模块与补偿计算模块及五轴加工中心本体的数控系统连接，将刀具补偿值输入数控系统，对刀具轨迹和刀具偏置进行在线补偿。

6、优选的，所述状态数据包括切削力信号、振动信号、主轴电流信号及声发射信号中的至少一种。

7、优选的，所述数据采集模块包括力传感器、加速度传感器、电流传感器及声发射传感器中的至少一种；

8、所述力传感器设于主轴轴承座，所述加速度传感器设于主轴，所述电流传感器串接于主轴驱动电路，所述声发射传感器设于主轴。

9、优选的，所述磨损监测模块包括信号预处理单元及磨损识别单元；

10、所述信号预处理单元对状态数据进行滤波去噪及时频域特征提取，获取刀具磨损特征参量；

11、所述磨损识别单元根据刀具磨损特征参量计算刀具磨损量。

12、优选的，所述补偿计算模块包括刀具几何补偿单元及轨迹补偿单元；

13、所述刀具几何补偿单元根据刀具磨损量修正刀具半径补偿值和刀具长度补偿值；

14、所述轨迹补偿单元根据刀具磨损量修正五轴联动加工轨迹。

15、优选的，所述执行补偿模块包括通信接口单元，通信接口单元通过以太网、现场总线中的任一种与数控系统通信连接，将刀具补偿值写入数控系统的刀具补偿寄存器。

16、本发明另一方面公开了一种五轴加工中心刀具磨损在线监测补偿方法，包括如下步骤：

17、s1：通过数据采集模块采集刀具加工过程中的状态数据；

18、s2：磨损监测模块对状态数据进行特征提取，获取刀具磨损特征参量，并根据刀具磨损特征参量计算刀具磨损量；

19、s3：补偿计算模块根据刀具磨损量计算刀具补偿值；

20、s4：执行补偿模块将刀具补偿值输入数控系统，对刀具轨迹和刀具偏置进行在线补偿。

21、优选的，所述s2中包括对状态数据进行滤波去噪及时频域特征提取，获取刀具磨损特征参量。

22、优选的，所述s3中包括根据刀具磨损量修正刀具半径补偿值和刀具长度补偿值，并根据刀具磨损量修正五轴联动加工轨迹。

23、本发明与现有技术相比的优点在于：本发明通过在主轴轴承座、主轴及驱动电路布置力传感器、加速度传感器、电流传感器及声发射传感器，实现切削力、振动、电流及声发射等多维状态数据的实时同步采集，克服离线检测周期长、信息滞后的缺陷；

24、本发明中数据经滤波去噪及时频域特征提取，结合磨损识别模型计算刀具磨损量，有效解析五轴联动加工中的信号耦合特性，提升磨损识别精度；

25、本发明中通过刀具几何补偿与轨迹补偿单元，将磨损量实时映射为刀具半径、长度补偿值及五轴联动轨迹修正量；经通信接口直接写入数控系统刀具补偿寄存器，实现监测到补偿的闭环在线控制，无需停机人工干预，显著提升五轴加工精度与效率。

1.一种五轴加工中心刀具磨损在线监测补偿系统，包括五轴加工中心本体，所述五轴加工中心本体包括x轴、y轴、z轴三个直线轴及a轴、c轴两个旋转轴，以及装夹于旋转轴上的主轴，所述主轴上装夹有刀具，其特征在于：还包括数据采集模块、磨损监测模块、补偿计算模块及执行补偿模块；

2.根据权利要求1所述的一种五轴加工中心刀具磨损在线监测补偿系统，其特征在于：所述状态数据包括切削力信号、振动信号、主轴电流信号及声发射信号中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的一种五轴加工中心刀具磨损在线监测补偿系统，其特征在于：所述数据采集模块包括力传感器、加速度传感器、电流传感器及声发射传感器中的至少一种；

4.根据权利要求1所述的一种五轴加工中心刀具磨损在线监测补偿系统，其特征在于：所述磨损监测模块包括信号预处理单元及磨损识别单元；

5.根据权利要求1所述的一种五轴加工中心刀具磨损在线监测补偿系统，其特征在于：所述补偿计算模块包括刀具几何补偿单元及轨迹补偿单元；

6.根据权利要求1所述的一种五轴加工中心刀具磨损在线监测补偿系统，其特征在于：所述执行补偿模块包括通信接口单元，通信接口单元通过以太网、现场总线中的任一种与数控系统通信连接，将刀具补偿值写入数控系统的刀具补偿寄存器。

7.一种五轴加工中心刀具磨损在线监测补偿方法，使用如权利要求1-6中任一项所述的系统，其特征在于：包括如下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种五轴加工中心刀具磨损在线监测补偿方法，其特征在于：所述s2中包括对状态数据进行滤波去噪及时频域特征提取，获取刀具磨损特征参量。

9.根据权利要求7所述的一种五轴加工中心刀具磨损在线监测补偿方法，其特征在于：所述s3中包括根据刀具磨损量修正刀具半径补偿值和刀具长度补偿值，并根据刀具磨损量修正五轴联动加工轨迹。