留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

一种立铣刀热变形在线状态识别方法研究

陈伟 邹政 曹汝朋 马文生 雷司聪 高旭

陈伟, 邹政, 曹汝朋, 马文生, 雷司聪, 高旭. 一种立铣刀热变形在线状态识别方法研究[J]. 机械科学与技术, 2022, 41(10): 1503-1508. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200482
引用本文: 陈伟, 邹政, 曹汝朋, 马文生, 雷司聪, 高旭. 一种立铣刀热变形在线状态识别方法研究[J]. 机械科学与技术, 2022, 41(10): 1503-1508. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200482
CHEN Wei, ZOU Zheng, CAO Rupeng, MA Wensheng, LEI Sicong, GAO Xue. Study on On-line Recognition Method for Thermal Deformation State of End Mill[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2022, 41(10): 1503-1508. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200482
Citation: CHEN Wei, ZOU Zheng, CAO Rupeng, MA Wensheng, LEI Sicong, GAO Xue. Study on On-line Recognition Method for Thermal Deformation State of End Mill[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2022, 41(10): 1503-1508. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200482

一种立铣刀热变形在线状态识别方法研究

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200482
基金项目: 

国家自然科学基金项目 51905064

重庆市教委科学技术研究项目 KJZDM201801101

重庆市教委科学技术研究项目 KJQN201801146

重庆理工大学研究生创新项目 CLGYCX20203102

详细信息
    作者简介:

    陈伟(1993-), 硕士研究生, 研究方向为刀具状态在位实时监测, 892460353@qq.com

    通讯作者:

    马文生, 高级工程师, 硕士生导师, 48200085@qq.com

  • 中图分类号: TP391;TH164

Study on On-line Recognition Method for Thermal Deformation State of End Mill

  • 摘要: 机床在铣削加工时总伴随着大量的切削热产生, 为了减少热变形对刀具加工精度的影响, 本文以硬质合金立铣刀作为研究对象, 提出一种基于BP神经网络的立铣刀在铣削过程中热变形实时状态的识别方法。搭建测试平台进行立铣刀热误差实验, 并设计了一种立铣刀热变形变形量的直接测量法。采集机床连续加工期间主轴的温度信号和立铣刀热误差变形量, 对温度信号进行特征提取。将刀具不同热变形状态及相关的特征值, 输入到8-4-2的三层BP神经网络模型进行训练。实验结果表明: 刀具热变形识别系统识别率在为87.2%左右。
  • 图  1  实验加工部分

    图  2  信号采集部分

    图  3  传感器测量示意图

    图  4  激光测距上位机软件

    图  5  刀具热变形值的变化曲线

    图  6  主轴温度变化曲线

    图  7  BP神经网络结构

    图  8  BP神经网络的均方误差曲线

    表  1  切削参数

    主轴转速/ (r·min-1) 进给速度/ (mm·min-1) 切削深度/mm 切削宽度/mm
    3 000 800 0.05 6
    下载: 导出CSV

    表  2  传感器规格

    传感器名称 工作温度/℃ 工作湿度/RH 测量范围 测量精度
    HL-G1激光位移传感器 -10~45 35~85 50 mm 0.5 μm
    PT100热电阻传感器 - - -30~200 ℃ 0.03 ℃
    下载: 导出CSV

    表  3  重复定位实验数据

    实验组号 测量距离/mm
    1 66.897
    2 66.895
    3 66.895
    4 66.892
    5 66.894
    下载: 导出CSV

    表  4  刀具热变形值

    测量次数 测量值/mm 基准值/mm 热变形值/mm
    1 66.658 0 66.658 0
    2 66.670 0 66.658 0.012 0
    3 66.673 0 66.658 0.015 0
    4 66.675 5 66.658 0.017 5
    5 66.674 0 66.658 0.016 0
    6 66.676 0 66.658 0.018 0
    7 66.677 0 66.658 0.019 0
    8 66.676 5 66.658 0.018 5
    9 66.680 0 66.658 0.022 0
    10 66.679 0 66.658 0.021 0
    11 66.680 0 66.658 0.022 0
    12 66.678 0 66.658 0.020 0
    下载: 导出CSV

    表  5  归一化后的特征

    传感器编号 平均值 有效值 方差
    1 0.619 74 0.192 43 0.131 32
    2 0.721 16 0.182 21 0.141 35
    3 0.879 60 0.188 00 0.153 58
    4 0.713 02 0.201 47 0.170 32
    下载: 导出CSV

    表  6  不同隐含层的模型对应训练误差

    隐含层的层数 第1层节点数 第2层节点数 第3层节点数 训练误差
    1 4 0 0 0.32
    1 8 0 0 0.28
    1 12 0 0 0.24
    2 4 2 0 0.26
    2 8 2 0 0.24
    2 12 2 0 0.25
    3 4 4 2 0.24
    3 8 4 2 0.19
    3 12 4 2 0.22
    下载: 导出CSV

    表  7  BP神经网络的鲁棒性测试结果

    实验序号 刀具需要补偿的识别率 刀具不需要补偿的识别率
    1 0.873 0.911
    2 0.863 0.893
    3 0.888 0.902
    4 0.867 0.911
    平均值 0.872 0.904
    下载: 导出CSV
  • [1] 王时龙, 祁鹏, 周杰, 等. 数控滚齿机热变形误差分析与补偿新方法[J]. 重庆大学学报, 2011, 34(3): 13-17 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-FIVE201103002.htm

    WANG S L, QI P, ZHOU J, et al. Thermal deformation error analysis and a novel compensation method for NC gear hobbing machine tools[J]. Journal of Chongqing University, 2011, 34(3): 13-17 (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-FIVE201103002.htm
    [2] 刘涛, 韩晓静. 基于热源法的涡旋盘高速精密铣削切削热研究[J]. 机械设计与制造工程, 2018, 47(2): 25-29 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JXZZ201802006.htm

    LIU T, HAN X J. Research on the cutting heat of high speed milling scroll plates based on the heat source method[J]. Machine Design and Manufacturing Engineering, 2008, 47(2): 25-29 (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JXZZ201802006.htm
    [3] 关立文, 杨亮亮, 王立平, 等. "S"形试件间歇性切削温度场建模与分析[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2016, 56(2): 192-199 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-QHXB201602012.htm

    GUAN L W, YANG L L, WANG L P, et al. Modeling and Analysis of intermittent cutting temperature field for the "S" test specimens[J]. Journal of Tsinghua University (Science and Technology), 2016, 56(2): 192-199 (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-QHXB201602012.htm
    [4] 刘胜. 钛合金正交切削的温度场和切削力仿真与试验研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2007

    LIU S. FEM Simulation and experiment research of cutting temperature and force in orthogonal cutting of titanium alloys[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2007 (in Chinese)
    [5] 迟晓明, 张小栋, 张凯. 高速数控车床刀具热变形的计算分析[J]. 机械设计, 2011, 28(11): 72-76 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JXSJ201111019.htm

    CHI X M, ZHANG X D, ZHANG K. Calculation and analysis on turning tool thermal deformation of high-speed NC lathe[J]. Journal of Machine Design, 2011, 28(11): 72-76 (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JXSJ201111019.htm
    [6] 李静, 王占礼, 王伟冰. 车削加工仿真中刀具热变形对工件加工精度的影响[J]. 工具技术, 2009, 43(6): 67-69 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GJJS200906027.htm

    LI J, WANG Z L, WANG W B. Influence of tool thermal deformation on workpiece machining accuracy in turning machining simulation[J]. Tool Engineering, 2009, 43(6): 67-69 (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GJJS200906027.htm
    [7] 曹岩, 刘新户, 付雷杰, 等. 整体式立铣刀铣削加工中温度场有限元分析[J]. 西安工业大学学报, 2017, 37(5): 378-385 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XAGY201705007.htm

    CAO Y, LIU X H, FU L J, et al. Finite element analysis of milling temperature field of an integral end milling cutter[J]. Journal of Xi'an Technological University, 2017, 37(5): 378-385 (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XAGY201705007.htm
    [8] 王占礼, 杜爽, 王尧. 仿真加工中刀具热变形引起的加工误差分析[J]. 工具技术, 2006, 40(6): 47-49 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GJJS200606013.htm

    WANG Z L, DU S, WANG Y. Analysis of machining error caused by thermal distortion of cutting tool in simulation machining[J]. Tool Engineering, 2006, 40(6): 47-49 (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GJJS200606013.htm
    [9] 王晓强, 张云, 周华民, 等. 基于隐马尔科夫模型的刀具磨损连续监测[J]. 组合机床与自动化加工技术, 2016(10): 87-90 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZHJC201610023.htm

    WANG X Q, ZHANG Y, ZHOU H M, et al. Continuous tool wear monitoring based on hidden Markov model[J]. Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique, 2016(10): 87-90 (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZHJC201610023.htm
    [10] 何一千, 黄民, 孙巍伟. 基于BP神经网络的数控机床刀具磨损状态识别方法[J]. 设备管理与维修, 2019(17): 37-40 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SBGX201917020.htm

    HE Y Q, HUANG M, SUN W W. A method of tool wear identification for NC machine tool based on BP neural network[J]. Plant Maintenance Engineering, 2019(17): 37-40 (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SBGX201917020.htm
    [11] 关山, 石志标, 刘炎. 基于多特征融合的刀具磨损识别方法[J]. 振动、测试与诊断, 2014, 34(3): 576-584 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZDCS201403032.htm

    GUAN S, SHI Z B, LIU Y. Identification method of tool wear based on multi-feature fusion[J]. Journal of Vibration, Measurement & Diagnosis, 2014, 34(3): 576-584 (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZDCS201403032.htm
    [12] ZHU K P, HONG G S, WONG Y S. A comparative study of feature selection for hidden Markov model-based micro-milling tool wear monitoring[J]. Machining Science and Technology, 2008, 12(3): 348-369
    [13] 陈世平, 刘状, 闫文, 等. 干切滚齿机热变形误差模型及其误差补偿技术研究[J]. 制造技术与机床, 2019(11): 119-124 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZJYC201911024.htm

    CHEN S P, LIU Z, YAN W, et al. Study on thermal deformation error model and compensation technology of dry-cutting hobbing machine[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2019(11): 119-124 (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZJYC201911024.htm
    [14] 闫文. 干切滚齿机床热误差实时检测与补偿的方法研究[D]. 重庆: 重庆理工大学, 2020

    YAN W. Research on real-time detection and compensation method for thermal error of dry-cut hobbing machine[D]. Chongqing: Chongqing University of Technology, 2020 (in Chinese)
    [15] 郭艳. 基于时频分析与智能算法的滚动轴承智能诊断方法[D]. 南昌: 华东交通大学, 2015

    GUO Y. Intelligent rolling bearing diagnosis method based on time-frequency analysis and intelligent algorithm[D]. Nanchang: East China Jiaotong University, 2015 (in Chinese)
  • 加载中
图(8) / 表(7)
计量
  • 文章访问数:  102
  • HTML全文浏览量:  93
  • PDF下载量:  23
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2020-11-08
  • 刊出日期:  2022-10-25

目录

    /

    返回文章
    返回