倪寿勇，李 迎，王晓勇，宋海潮

(1.南京工业职业技术学院 机械工程学院，南京 210023；2.南京理工大学 机械工程学院，南京 210094)

0 引言

硬体旋风铣削(硬旋铣)工艺是实现螺纹、曲轴类零件高性能加工的绿色加工技术，由于缺乏有效的刀具状态监测手段，该工艺的加工精度、表面质量、工艺稳定性仍有待提高。切削力是描述切削过程的重要参数，对工件的成形精度、表面质量、刀具使用寿命有着重要影响，对研究切削机理、设计机床和工装、选择切削参数、实现工艺过程监测有着重要意义。

借助测力仪的传统切削力监测方法往往受到机床结构、工件尺寸、装调精度、使用成本等方面的限制，很难在工业生产中推广应用。利用电动机的负载及电流随切削力发生动态变化的现象，许多学者对切削力的间接测量技术进行了研究。Altintas[1]通过测量伺服电机驱动电流成功预测了铣削力的动态变化和刀具破损的发生。李斌等[2]的研究也表明铣削力的大小与主轴电流具有高度相关性。

与传统的利用外部检测手段获取机床加工过程状态数据的方式不同，数控系统内置的电动机电流、功率、位移等数据具有可靠性高、易获取的特点，正成为加工过程监测的重要信息资源。Pejryd等[3]通过对数控机床位置编码器信息的采集和处理，在铣刀早期磨损阶段就能识别出刀具磨损的变化。Eckstein等[4]则利用数控系统所支持的OPC通讯协议对航空发动机零件钻孔过程的刀具状态和加工表面质量进行监测。Koike等[5]利用数控系统主轴及伺服的内部数据估算出切削负载，并通过傅里叶变换建立切削负载与刀具破损量之间的关联。Yamada等[6-7]针对机床的全闭环滚珠丝杠副驱动方式，基于数控系统内部的伺服电机驱动电流、角度位置和伺服轴线位移提出了一种高精度、宽频域的切削力预测方法，并通过传动系统动态模型进一步提高了预测精度。Hassan等[8]针对纤维增强复合材料的钻孔加工过程控制问题开发了基于数控系统内部数据和声发射检测信号的智能自适应刀具状态监测系统。Aslan等[9]通过试验模态法建立机床传动系统动力学模型，并以此来消除传动系统动态特性对伺服电机驱动电流的影响，进而获得基于数控系统电机驱动电流的切削力预测值。Xu等[10]基于数控系统内部数据运用支持向量机方法实现了对刀具破损的在线识别。

本文针对旋风铣削工艺特点及机床系统组成，开发基于OPC通信的机床状态监测软件，并用以预测切削力大小、确定跟刀架夹紧力、分析机床运动精度。研究内容对揭示硬旋铣加工机理、实现加工过程在线监测、指导工艺生产有重要价值。

1 旋风铣削工艺与机床

1.1 旋风铣削工艺特点

图1为顺切法内旋铣外螺纹的加工示意图，切削主运动为铣刀盘绕其轴线的高速旋转(刀盘转速nt)，工件在绕其轴线低速旋转进给(工件转速nw)的同时，铣刀盘根据所加工螺纹件的导程沿工件轴向直线进给(进给速度vf)，刀盘轴线相对工件轴线的倾斜角等于被加工螺纹件的公称螺旋升角β[11]。

1.刀盘 2.刀具 3.工件 4.旋铣头图1 顺切法旋铣外螺纹加工示意图

1.2 旋风铣削机床结构

图2为旋风铣削机床HJ092×80的结构示意图，机床头架3绕C轴的转动和床鞍5沿Z轴的移动是机床的伺服进给运动，其中，C轴借助增量式光电编码器进行半闭环控制，Z轴使用数字光栅尺进行全闭环控制。旋铣头7是机床的主轴，升降台6沿X向的运动能够调节旋铣头的高度并以此控制螺纹旋铣深度。旋铣加工时工件一端由机床头架3夹紧，另一端经工件中心孔由机床尾架9的顶针定位，同时旋铣头7两侧的跟刀架11分别沿+U1、+U2方向夹紧以提高工件的装夹刚度，而辅助支承10沿V1～V4方向的高度调节可起到提高定位刚度和稳定性、减小过定位变形的作用。上述各进给运动、辅助夹紧、辅助支承及位置调节由西门子数控系统SINUMERIK 840D的数字伺服驱动器611D进行伺服控制。

1.底座 2.主轴箱 3.头架 4.床身 5.床鞍 6.升降台7.旋铣头8.工件 9.尾架 10.辅助支承 11.跟刀架图2 旋铣机床HJ092×80结构示意图

1.3 840D数控系统组成

如图3所示，840D数控系统由人机接口HMI、数控实时操作系统NCK和可编程逻辑控制器PLC三部分构成，其中由NCK、PLC和COM (NCDDE数据服务)构成的数控单元NCU是整个数控系统的硬件核心，HMI则包括计算机单元PCU和机床控制面板MCP两部分。PCU可通过内置的NCDDE服务或OPC服务从OPI总线上共享和处理来自NCK的BTSS规范数据。PLC可通过接口模块IM连接本地I/O或通过PROFIBUS总线连接远程I/O来处理MCP操作信息或机床逻辑事件。数字驱动器611D与NCU，以及NCU内部采用双口DPR进行通讯。PC/PG电脑按照TCP/IP协议连接PCU，能够对数控系统实现远程操作、控制或监控。

此外，为建立PC/PG对PCU中OPC服务器的远程访问，需要对PCU的DCOM进行配置，在现有的PCU型号中只有PCU50或PCU70满足此项要求，本文的旋铣机床即安装有PCU50。

图3 840D数控系统组成

2 基于OPC的加工过程监测系统

2.1 OPC数据访问技术

OPC是用于过程控制的OLE/COM接口规范，利用OPC技术可以实现不同硬件设备、软件之间的通信。OPC的数据访问方式有同步访问、异步访问和订阅访问三种，从数据读取效率方面考虑本文采用异步访问方式。OPC服务器的数据访问接口有自动化接口(OLE)和定制接口(COM)，前者用于VB、DELPHI、Excel等基于脚本语言的程序开发，后者用于C++语言的程序开发，本文采用自动化接口在VB环境下开发数控系统840D的OPC客户端。为成功访问OPC服务器数据，需首先建立OPC数据对象，然后才能使用OPC对象所支持的属性、方法、事件，OPC数据对象采用如图4所示的分层结构。

图4 OPC数据对象的分层结构

2.2 OPC客户端开发

为实现对旋风铣削过程的状态监测，要求在图4的PC/PG电脑中开发OPC客户端软件以远程读取840D数控系统OPC服务器的相关数据项的信息，见表1。其中，Z轴进给位移来自机床光栅尺，C轴进给位移由该轴伺服电机的光电编码器采集，其余数据均取自数字驱动器611D的闭环控制信号。表1中，实际电流系数α是伺服电机驱动电流与额定电流的比值，输出负载系数ε是伺服电机输出转矩与额定转矩的比值。

表1 OPC访问数据项

注：● 实际读取的OPC数据项；— 未读取的OPC数据项

在完成数控系统OPC服务器与PC/PG客户端的DCOM配置后，客户端按照图5的工作流程读取数控系统内部数据，其过程分为3个阶段：客户端与服务器建立连接；读数过程中的数据处理、保存、实时图像显示；数据读取结束时的数据处理、保存、实时图像显示、内存释放。

图5 OPC数据读取流程图

图6为OPC客户端软件界面，主要由左上方的OPC通信区，左下方的数据项选择编辑区，右侧的图像显示区构成，在菜单栏“文件”下进行数据采集开始、数据采集结束操作，在数据采集开始时会提示设置文件的保存路径。

图6 OPC客户端软件界面

为避免大数据访问引起数据阻塞和OPC服务器的性能和效率下降，OPC规范将数据访问周期限制在100 ms以上。由于本系统采用OPC异步访问方式，在读取数据的同时可以进行图像更新和数据保存，避免占用大量内存，降低了对客户端计算机硬件资源的要求。经测试，本文提出的OPC监测系统的读数周期为110～120 ms。

3 跟刀架夹紧系数的确定

旋铣机床跟刀架的作用是增强工件的定位刚度，其沿U1轴、U2轴的夹紧力大小影响工艺系统的加工稳定性、工件的加工精度和机床的能耗。夹紧力过小会导致跟刀架与工件外圆间的接触刚度不足，极易产生切削振动、加剧工件力变形，进而影响加工精度和表面质量，甚至引起刀具破损。而夹紧力过大又会增大机床的C轴伺服进给摩擦力，不仅导致机床的切削能耗增大，而且容易出现C轴伺服进给的低速爬行现象，影响加工过程的稳定性，最终同样会影响零件加工精度和表面质量。因此，跟刀架夹紧力应在确保对工件产生足够且稳定的接触刚度的前提下，采用尽可能小的夹紧力。

旋铣机床HJ092×80用轴U1、U2的伺服电机堵转转矩的百分比表示夹紧力的大小，定义为跟刀架的夹紧系数，用η表示。为合理确定η的取值，需分析η对跟刀架与工件间接触刚度的影响规律。在表2的夹紧系数试验中，两跟刀架在非切削状态下同时采用相同的夹紧系数η抱紧工件(工件直径d0为φ77.9 mm)，同时工件以转速nw转动，通过OPC监测软件记录机床C轴伺服电动机的负载系数ε，乘以该轴的额定转矩15.5 N·m即可获得C轴的输出转矩TC，其测试结果见图7。

表2 跟刀架夹紧系数试验参数

图7 夹紧系数η对C轴输出转矩TC的影响

图7中，工件转速nw恒定，夹紧系数30%～50%时，C轴输出转矩TC与夹紧系数近似成正比。以nw取8r/min为例，夹紧系数从20%～30%的TC增加量3.9 N·m，明显小于夹紧系数从30%～40%的TC增加量17.4 N·m，以及40%～50%的TC增加量15.6N·m。分析结果表明夹紧系数小于30%时跟刀架与工件外圆间的接触刚度不足，从而表现为夹紧系数对TC值的影响相对较小。因此根据前述跟刀架夹紧力选取原则确定当前加工条件下的夹紧系数η值为30%。

4 切削试验

在旋铣机床HJ092×80上使用图8所示双圆弧CBN刀具(前角0°，法后角7°，倒棱25°×0.15，刀廓圆弧半径R3.304mm)对工件(直径φ77.9mm，材料GCr15)进行顺切旋铣试验，刀盘装刀数为3，刀尖旋转直径为φ94.5mm，刀盘相对工件轴线的倾斜角β为2.279°，所加工螺纹小径为φ73.4mm，螺距Ph为10mm。

图8 刀具廓形及切削路径示意图

切削路径如图8所示，共进行两组切削试验，每组切削试验由切入段和3个不同切削参数的加工段构成，每个加工段长10mm，加工段的切削参数见表3，切入段-X向进给速度20mm/min，+Z向进给速度36.1mm/min。

表3 旋铣试验切削参数

如图9所示，在加工过程中使用旋铣刀齿切削力测试系统[12]对单个刀具的主切削力Fz，进给力Fy，背向力Fx进行测量。该测试系统采用电压输出型三向压电式力传感器作为检测元件，力传感器由螺纹紧固在刀柄和刀座之间，刀座上采用螺钉压紧的方式装有刀片，刀柄被装在刀盘的刀槽内，力信号经装在旋铣头内部的滑环输出至数据采集单元，以避免信号线的缠绕。该测试系统三个方向切削力量程分别为|Fx|≤ 200 N，|Fy|≤500 N，|Fz|≤1000 N，测试频率均达1 kHz。

图9 三向旋铣刀齿切削力测试系统

5 测试结果分析

5.1 机床运动精度分析

根据赵万华等[13]提出的数控机床精度分类和各类误差评定方法，数控机床运动精度是数控指令位移与运动轴实际位移的符合程度。如果假设编程路径与理想机床运动轨迹完全一致，即编程误差为零，则可用伺服轴实际位移相对理想运动轨迹的偏差Δd作为综合误差项来表征机床运动精度。旋铣加工时C轴与Z轴是按一定比例联动来实现螺旋进给的，因此运动误差Δd可用由C轴实际角位移θa推导出的Z轴理论位移s0与Z轴实际位移sa的差值表示，即：

Δd=sa(θa)-s0(θa)=sa-θaPh/360

(1)

两组切削试验的机床运动误差Δd测试结果如图10所示，每个加工段的运动误差均由三部分构成：由运动轴加减速或伺服控制产生的实际位移滞后于指令位移的稳态跟随误差δs；稳速指令下由于伺服推力或力矩、控制离散误差、摩擦与负载波动造成的实际速度相对于指令速度的波动而引起的运动波动误差δv；运动轴启停、换向时指令的突变或间隙、非线性摩擦的突变引起的实际位移相对指令位移的瞬态误差δt。

(a) 第Ⅰ组切削试验的机床运动误差

(b) 第Ⅱ组切削试验的机床运动误差 图10 机床运动误差分析

图10a的第2次切削与图10b的第4次切削，机床运动误差Δd均出现了两个异常偏大值，说明这两种切削状态下，因机床进给系统的间隙、非线性摩擦引起的瞬态误差δt不稳定，实际生产时应避免使用这两个试验的切削参数组合。在计算统计这两次切削的δt值时去除上述异常的Δd值，3个单项运动误差δs、δv、δt的最终统计结果见表4。

表4 评定机床运动精度的单项误差的测试结果

表4的测试结果表明：在任意切削条件下，机床的三个单项运动误差近似相等，而机床运动误差Δd的上限是三者之和，也可看成是任意一个单项误差的3倍；在每齿进给量一定时，3个单项运动误差均与切削速度成正比；此外，每齿进给量的增大会加大机床运动误差Δd。

5.2 主切削力峰值的预测

由C轴伺服电机的负载系数εC可推导出沿工件外圆的切向力Ft，其值为：

Ft=2iCεCTnC/d0

(2)

式中，iC——C轴传动系统的传动比，其值为125；

TnC——C轴伺服电动机的额定转矩，其值为15.5 N·m。

图11为两组切削试验的Ft变化情况。C轴伺服电机的输出转矩主要用于克服传动系统的转动惯量负载和摩擦力、跟刀架对工件的摩擦力，以及刀具的切削载荷，由于C轴转速低且波动幅度小，因此认为传动系统和跟刀架的摩擦力恒定，传动系统惯量负载引起的Ft波动幅度小于切削载荷引起的Ft波动幅度。所以图11中每次切削试验的Ft波动幅值即为工件对刀具的沿工件外圆切向的作用力，又因为刀盘轴线与工件轴线的倾斜角β很小，所以该作用力近似等于刀具的主切削力Fz，如图10所示，但受OPC监测系统数据采集频率的限制，Ft的波动幅值只能用来预估主切削力Fz的峰值Fzp。

图11 C轴伺服电机的工件等效切向力

图12给出了主切削力峰值Fzp的测力仪测量值与基于OPC数据的预测值。其中，第4次切削的预测误差最大为3.62%，所以利用数控系统内部的伺服电机负载数据预测主切削力是可行的。

图12 主切削力峰值的预测与验证

6 结论

(1) 所开发的基于数控系统内核数据的旋风铣削过程监测系统，其数据采集频率110～120 ms，能够方便快捷地实现多个伺服轴及伺服电机数据的同步读取；

(2) 基于数控系统内核数据的机床运动精度分析结果表明，机床伺服轴传动间隙引起的瞬态误差δt是影响机床运动精度的重要因素，加工过程中需合理选择切削参数以避免其异常波动。机床运动误差Δd与切削速度成正比，并随每齿进给量的增大也会增大；

(3) 当前工艺条件下，为保证旋风铣削过程稳定加工，跟刀架夹紧系数应不小于30%；

(4) 基于数控系统内核数据能够准确预测旋铣过程的主切削力峰值。