影響切削加工質(zhì)量和效率的主要因素有：刀磨損、刀具失效和顫振等，它們都會(huì)直接反映切力大小的變化，故數(shù)控機(jī)床加工過程中切削負(fù)荷的實(shí)時(shí)測(cè)量與分析是實(shí)現(xiàn)機(jī)床智能控制的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。切削力測(cè)量最直接的方法就是利用測(cè)力儀，如Kistler9253823型測(cè)力臺(tái)可以直接輸出3個(gè)方向的力和力矩，但該裝置價(jià)格昂貴，難以適用工程應(yīng)用，并且測(cè)力儀安裝會(huì)降低機(jī)床剛度，在大加工負(fù)荷下易引起機(jī)床顫振和軌跡誤差。而基于刀具幾何參數(shù)和切削工藝參數(shù)的切削力建模的方法，為切削負(fù)荷監(jiān)測(cè)提供了一個(gè)有效的手段。但由此得到的切削力模型在實(shí)際工廠應(yīng)用時(shí)，限于具體刀具參數(shù)設(shè)置，其適用性還不能滿足現(xiàn)實(shí)的機(jī)床智能控制應(yīng)用。

　　通過測(cè)量電機(jī)電流則是一個(gè)簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的方法，因?yàn)樵跀?shù)控銑削加工中，當(dāng)銑削力發(fā)生變化時(shí)，進(jìn)給電機(jī)電流會(huì)有相應(yīng)的變化。ALTINTAS等通過對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)的分析，驗(yàn)證了基于電樞電流測(cè)量切削力的可行性。CHANG和HABERn’71則分別給出了利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊技術(shù)由主軸電流信號(hào)提取切削力的方法。但BUKKAPATNAM¨3通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，由于其結(jié)構(gòu)太復(fù)雜，運(yùn)算負(fù)擔(dān)過重，很難實(shí)時(shí)完成電流對(duì)切削力的轉(zhuǎn)換。因?yàn)榍邢髁εc電機(jī)電流之間的關(guān)系非常復(fù)雜，測(cè)量的信號(hào)包含不期望的高頻噪聲、電流控制信號(hào)、滾珠絲杠效應(yīng)，很難用一個(gè)通用方法從中提取出力信號(hào)。作者基于伺服進(jìn)給電流的時(shí)頻分析，研究實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)單元的電流信號(hào)，并給出相應(yīng)力信號(hào)的表征成分，提取的實(shí)時(shí)切削力表征成分可進(jìn)一步處理用做無測(cè)力儀的切削力智能自適應(yīng)數(shù)控銑削加工系統(tǒng)。

1 伺服電機(jī)電流分析

　　為分析伺服電流信號(hào)中所包含的機(jī)床加工狀態(tài)信息，進(jìn)行切削加工。試驗(yàn)伺服系統(tǒng)為華中數(shù)控HSV一16D-020，伺服進(jìn)給電機(jī)為永磁交流同步電機(jī)。加工參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速600 r／rain，進(jìn)給速度60 mm／min，切削深度2.0 mm。電流測(cè)量由霍爾元件在銑削加工狀態(tài)下在伺服電機(jī)輸入端檢測(cè)。加工過程中x軸為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)軸，y軸不動(dòng)，故只對(duì)x軸運(yùn)動(dòng)電機(jī)電流采樣分析，采樣頻率1 kHz。單相電流如圖1所示，可以看出：電流信號(hào)不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號(hào)，而是由基頻信號(hào)和一些高頻信號(hào)組成。圖中的單相電流的波峰為控制脈沖的積分狀態(tài)。由伺服進(jìn)給速度60 mm/min和絲杠導(dǎo)程6 mm，可以得到伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速為10 r/min，而伺服電機(jī)極對(duì)數(shù)為3，故其脈沖頻率為10×3/60=0.5 Hz，即脈沖周期為2 s，如圖1所示，控制脈沖的周期為2 s。

圖1 加工狀態(tài)下伺服進(jìn)給電機(jī)的單相電流時(shí)域信號(hào)

　　為從伺服電機(jī)電流信號(hào)中提取出與切削力相關(guān)的伺服電機(jī)電流特征量，采用在工業(yè)應(yīng)用中把交流電流轉(zhuǎn)換成直流電流的方法，即利用三相電流的均方根得到的信號(hào)作為等效直流電流，可以看成一組正弦函數(shù)加上一個(gè)常量，該常量可表示為切削力幅值的大小。而疊加在其上的波動(dòng)量，為銑削過程斷續(xù)切削中切削力變化引起電流的變化波動(dòng)。故將三相電流去除常量的均方根信號(hào)用來確定切削力變化與電流波動(dòng)之間的關(guān)系，其信號(hào)如圖2所示。

圖2  伺服進(jìn)給電機(jī)的三相電流均方根去除常量的時(shí)域信號(hào)

　　對(duì)該三相電流均方根進(jìn)行頻譜分析，找出其主要頻率成分，然后通過與切削力變化相關(guān)聯(lián)的頻帶，建立切削力改變與相對(duì)應(yīng)的進(jìn)給電流信號(hào)之間的聯(lián)系。因?yàn)樗欧娏餍盘?hào)包含有切削力信號(hào)、絲杠傳動(dòng)噪聲、控制噪聲等，很難直接由圖2所示的信號(hào)中提取切削力相關(guān)的特征量，故首先采用測(cè)力儀測(cè)得的切削力信號(hào)進(jìn)行輔助分析，從而確定切削力與之對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)變化關(guān)系。

2 銑削過程切削力信號(hào)分析

　　試驗(yàn)中主軸轉(zhuǎn)速為600 r/min，螺旋立銑刀3刃，加工采用端銑方式，切削力測(cè)量采用Kistler9253B23型測(cè)力儀，由電荷放大器5070A輸出采樣得到3個(gè)方向的力，采樣頻率1 kHz。加工過程中采用x軸進(jìn)給端銑全切方式，由對(duì)稱性可知x軸與y軸方向切削力信號(hào)頻率成分相同，而兩方向的信號(hào)幅值不同。由ALTINTAS的端銑切削力的模型分析可知:力信號(hào)也可以看成一個(gè)被截?cái)嗟恼液瘮?shù)加上一個(gè)常數(shù)量，大的進(jìn)給速度以及大的切深對(duì)應(yīng)較大的信號(hào)偏移量。為分析切削刃力波動(dòng)，去除偏移常量，圖3所示為x向切削力的波動(dòng)信號(hào)圖，對(duì)應(yīng)的切削力波峰與周期與主軸轉(zhuǎn)速和切入齒數(shù)有關(guān)。

圖3 去除偏移常量的切削力波動(dòng)信號(hào)時(shí)域表示

　　對(duì)圖3所示信號(hào)進(jìn)行功率譜分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 去除偏移常量的切削力波動(dòng)信號(hào)功率譜密度

　可以看出，切削力信號(hào)低頻段包含有主頻為0.5、10、20、30 Hz等頻率信號(hào)。其中頻率為0.5 Hz左右的信號(hào)由第1節(jié)對(duì)伺服電機(jī)電流分析可知該項(xiàng)為伺服電機(jī)引入。考慮主軸轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)n_y=600 r/min，其基頻為f_T=n_y*z/360=10 Hz，其中z量綱一常數(shù)量，表示切入齒數(shù)，該試驗(yàn)中z=1。考慮銑刀有3個(gè)刀齒，則切削力信號(hào)中還將含有2×f_T=20 Hz以及3×f_T=30Hz的信號(hào)。

　　但圖4中這些主頻分量幅值相對(duì)較小，對(duì)圖3所示的切削力分量進(jìn)行低頻濾波，圖5為濾波后時(shí)域信號(hào)?？芍涸诩庸ぴ囼?yàn)過程中，由于刀具的裝夾存在偏心以及刀具磨損等原因，3個(gè)刀齒切削量不相同，其中一個(gè)刀齒切削量較大。故圖3所示的切削力信號(hào)中的幅值最大的主頻為10 Hz，而從圖5濾波后切削力的時(shí)域信號(hào)中可看出，還有兩個(gè)幅值較小的切削力波峰，其周期為1/30 s。

圖5去除偏移常量的切削力波動(dòng)信號(hào)經(jīng)過濾波后的時(shí)域信號(hào)

3 切削力信號(hào)與電流信號(hào)分析

　　由圖5可知在切削力信號(hào)頻率范圍可由主軸轉(zhuǎn)速、刀具齒數(shù)確定，而附加的伺服進(jìn)給低頻段噪聲可由伺服進(jìn)給速度、伺服電機(jī)極對(duì)數(shù)確定，故由上述確定的頻率范圍利用帶通濾波器實(shí)時(shí)對(duì)三相電流進(jìn)行均方根濾波。圖6為濾波后的電流時(shí)域信號(hào)與切削力的比較。由兩者的時(shí)域比較可知：由與切削刀具的安裝偏心，所以各齒的切削力幅值不同，而電流對(duì)每齒切削力跟蹤準(zhǔn)確，反映出了每齒切削力的幅值變化。故如果利用帶通濾波后的伺服電機(jī)電流信號(hào)可進(jìn)一步對(duì)刀具磨損和刀具破損進(jìn)行研究，運(yùn)用于數(shù)控機(jī)床的智能加工控制。

圖6基于加工參數(shù)提取的電流信號(hào)中的力表征成分與實(shí)測(cè)切削力信號(hào)比較

4 結(jié)論
　　通過對(duì)伺服電流和切削力信號(hào)的分析，確定兩者之間的頻帶對(duì)應(yīng)，并基于可變的加工參數(shù)確定對(duì)信號(hào)頻帶分析內(nèi)容。故實(shí)際加工過程中可直接讀取相關(guān)的加工參數(shù)，計(jì)算所需分析的信號(hào)頻帶，從計(jì)算的電流信號(hào)中提取切削刃的力波動(dòng)表征信號(hào)成分。該信號(hào)進(jìn)一步處理可用于加工智能控制過程中的刀具破損實(shí)時(shí)檢測(cè)。