基于大数据模糊PID分推导的多轴加工刀具自检测补偿的装置

技术领域

本发明属于机械加工制造领域，具体涉及基于大数据模糊PID分推导的多轴加工刀具自检测补偿的装置。

背景技术

随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品日趋精密复杂，且需求频繁改型，特别是在航空航天、医疗器械等领域所需的机械零件，精度要求高，形状复杂，需求大。多轴加工、数控车床加工、刀柄刀杆、夹头接杆这类产品需要经常改装或调整设备，普通机床或专用化程度高的自动化机床已不能适应这些要求。

在数控铣床的零件加工当中，对于面的精加工是一个重要的工序，也是必然存在的工序，对于表面的质量要求较高。但在实际的加工当中，有时候会得到粗糙度、平面度等不达标的面，不符合技术要求。

精加工的目的是保证工件的最终尺寸精度和表面质量。要提升精加工的效率，就要这两方面进行深入考虑。

大圆弧的铣刀也被业内称之为鼓形铣刀或者是抛物线铣刀，能够针对各种比较复杂的零件进行表面加工，尤其是在模具行业中，合理的加工路线编程是有效使用大圆弧刀具的关键所在，在加工路线规划中需要基于刀具切削刃的几何形状，让刀具中特殊形状的切削刃在切削的过程中，以合适的角度来与工件表面相接触。因此，需要设计出一种可对加工时刀柄的工作状况进行实时监测并能够根据检测数据自动进行调整的基于大数据模糊PID反推导的多轴加工刀具自检测补偿的装置。

发明内容

本发明的目的在于提供基于大数据模糊PID分推导的多轴加工刀具自检测补偿的装置，旨在解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于大数据模糊PID分推导的多轴加工刀具自检测补偿的装置，包括：HSK/BT可换刀柄、高精度可调振频的阻尼单元、振动环、多维振动传感器、防护罩、刀体、PID大数据分析系统、无线充电刀柄座、无线传输模块和数字孪生系统，所述阻尼单元安装在HSK/BT可换刀柄的尾端内部，所述振动环安装在HSK/BT可换刀柄的底部，所述多维振动传感器安装在振动环的外部，所述防护罩套于多维振动传感器的外部并与振动环安装固定，所述刀体安装于HSK/BT可换刀柄的一端，所述PID大数据分析系统与多维振动传感器信号连接，所述无线充电刀柄座与HSK/BT可换刀柄磁吸连接，所述无线传输模块与PID大数据分析系统电性连接，所述数字孪生系统与PID大数据分析系统信号连接。

作为本发明基于大数据模糊PID分推导的多轴加工刀具自检测补偿的装置优选的，所述HSK/BT可换刀柄由主轴连接的锥柄和与刀杆连接的粗牙三角螺纹结构组成。

作为本发明基于大数据模糊PID分推导的多轴加工刀具自检测补偿的装置优选的，所述刀体采用液压装刀的方式与HSK/BT可换刀柄安装。

作为本发明基于大数据模糊PID分推导的多轴加工刀具自检测补偿的装置优选的，所述PID大数据分析系统用于对多维振动传感器所发出的振动信号进行PID分析，按偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制的PID控制器。

作为本发明基于大数据模糊PID分推导的多轴加工刀具自检测补偿的装置优选的，所述无线充电刀柄座采用电磁感应原理，通过线圈进行能量耦合实现能量的传递，系统工作时输入端将交流市电经全桥整流电路变换成直流电，或用24V直流电端直接为系统供电。

作为本发明基于大数据模糊PID分推导的多轴加工刀具自检测补偿的装置优选的，所述无线传输模块用于将装置的多维振动传感器所检测到的振动信号传输到数字孪生系统中进行数据处理分析。

作为本发明基于大数据模糊PID分推导的多轴加工刀具自检测补偿的装置优选的，所述无线传输模块将芯片与导热较强的金属材质进行间隔，通过气凝胶隔热胶毡的柔韧性与良好的隔热阻燃性，将模块与刀具进行连接。

作为本发明基于大数据模糊PID分推导的多轴加工刀具自检测补偿的装置优选的，所述数字孪生系统通过对刀具的振动频率的收集、传输，以及形成不同的波形图与加工参数记录，并基于目前的大数据分析能力的基础，对将要发生断刀等一系列问题进行分析、预警。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

刀柄精度大幅提高，性能更加稳定；刀柄预设动平衡，适合高速高精加工并且制造成本较低且可靠；刀柄与刀体采用螺纹连接配合，更换便捷，实用性广，中空短锥刀柄减少了刀柄的重量和惯量，有利于主轴的速度和加速度性能的提高；液压装刀重复定位精度高，可以达到0.003mm；液压系统自身结构尺寸小，节省空间，使整个机构设计更加紧凑；液压膨胀壁有助于机械系统受到瞬时冲击后，很快恢复到稳定状态；液压系统内部液压油在加工时可消除部分振动，被加工表面质量提高；高精度可调振频的阻尼单元使得本发明动态稳定性比同类普通刀柄高3倍，切削参数始终能保持最优的状态；高精度可调振频的阻尼单元与传统的模块组合相比，即使是长径比达到5倍，切削深度可以高出2-4倍；高精度可调振频的阻尼单元在动态环境下工作需要有较高的抗震性和动态稳定性，通过各种阻尼处理可以大大的提高其动态性能；高精度可调振频的阻尼单元增加了可调节振频模块，对应不同材料可调节阻尼振动频率，实用性广。

在试验后加工出零件并采用三坐标测量机及螺纹塞规、通止规检测了零件精度，各项参数均符合国家标准规定。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是安装BT型数控刀柄的整体示意图；

图2是安装HSK型数控刀柄的整体示意图；

图3是HSK型数控刀柄示意图；

图4是BT型刀柄示意图；

图5是高精度可调振频的阻尼单元；

图6是多维振动传感器模块，其中包括：振动环、无线传输模块、锂电池；

图7是防护罩示意图；

图8是刀体示意图，其右端包括液压夹紧系统；

图9是筒夹示意图；

图10是实时振频监测系统；

图11是刀具同时检测示意图；

图12是模组与主控制器硬件连接图；

图13是无线充电模块电路图；

图14是数字孪生系统仿真框图。

图中：1、HSK/BT可换刀柄；2、阻尼单元；3、振动环；4、维振动传感器；5、防护罩；6、刀体；7、PID大数据分析系统；8、无线充电刀柄座；9、无线传输模块；10、数字孪生系统。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-14，本发明提供以下技术方案：基于大数据模糊PID分推导的多轴加工刀具自检测补偿的装置，包括：HSK/BT可换刀柄1、高精度可调振频的阻尼单元2、振动环3、多维振动传感器4、防护罩5、刀体6、PID大数据分析系统7、无线充电刀柄座8、无线传输模块9和数字孪生系统10，阻尼单元2安装在HSK/BT可换刀柄1的尾端内部，振动环3安装在HSK/BT可换刀柄1的底部，多维振动传感器4安装在振动环3的外部，防护罩5套于多维振动传感器4的外部并与振动环3安装固定，刀体6安装于HSK/BT可换刀柄1的一端，PID大数据分析系统7与多维振动传感器4信号连接，无线充电刀柄座8与HSK/BT可换刀柄1磁吸连接，无线传输模块9与PID大数据分析系统7电性连接，数字孪生系统10与PID大数据分析系统7信号连接。

具体的，选择好刀柄型号后将阻尼单元2放入HSK/BT可换刀柄1的内腔中，并用刀体6的左端外螺纹与HSK/BT可换刀柄1的内螺纹进行连接，将阻尼单元2固定在HSK/BT可换刀柄1的内腔中，再将多维振动传感器4旋在刀体6的外侧；振动环3连接着电路板和电源并套在多维振动传感器4上；将防护罩5旋在多维振动传感器4的外侧；刀体6的另一侧旋入12；将需要用到的刀具尾部插入12中，通过液压系统使夹紧刀具。装配好后即可安装在机床中。

在本发明工作过程中阻尼单元2针对进给力方向，将约束层简化为约束刚度，阻尼层简化为约束阻尼，可极大的减少在加工薄壁内零件时震刀的情况；车刀杆基体M与约束层简化成的非线性弹簧Kz以及阻尼层简化成的非线性阻尼Cz相连接，依据牛顿第二定律可得约束阻尼单自由度减振车刀杆系统运动微分方程：

理想状态中的车削过程属于恒力切削，但由于车削颤振的存在，实际加工过程中其主切削力、进给切削力和径向切削力会发生一定的动态变化[50]。故而对其切削力的描述对于系统研究相当重要，将其动态切削力简化为简谐力,即：

代入则可以得到约束阻尼减振车刀杆系统运动微分方程：

冲击阻尼减振车刀杆的动力学模型，数值模拟激振力频率、间隙、质量比、刚度系数对其混沌特性的影响。激振力频率的变化对系统运动特性有非常复杂的影响，系统出现了多个吸引子共存的现象并长期保持在吸引子收缩与扩张的过程中，且在一定频率区间内会出现周期二与周期一运动，可以得到冲击阻尼减振车刀杆系统运动微分方程：

最后，由于约束阻尼的单自由度减振车刀杆系统，数值模拟简谐力频率、约束刚度、约束阻尼对系统周期及混沌特性的影响。仿真分析得出：当简谐力频率变化时，系统在低频下以混沌运动为主，其最大Lyapunov指数多大于零，系统运动极不稳定。当数值模拟简谐力频率继续增大，系统呈现出阵发性混沌现象，出现了周期泡、Neimark-Sacker分岔、周期倍化与逆周期倍化分岔等，并出现两种进入混沌的道路，分别是倍周期分岔进入混沌道路以及阵发混沌道路。系统在约束刚度数值较低时多为周期运动，且多次出现周期泡结构。当刚性系数继续增大时，系统开始出现较为频繁的周期运动与混沌运动交替现象，最终进入混沌运动。随着约束阻尼的增大，系统刚开始表现出概周期运动与周期运动相互转迁，出现倍化与逆倍化分岔、周期泡结构，然后出现了Neimark-Sacher分岔，最终经过吸引子收缩为稳定的周期一运动。

阻尼减振刀柄的动态稳定性比同类普通刀柄高3倍，无论是哪种长悬伸螺纹加工，切削参数始终能保持最优的状态,即使是长径比达到5倍；与传统的模块组合相比，切削深度可以高出2-4倍。

在本发明工作过程中，多维振动传感器4由内部锂电池供电，与无线传输模块9和数字孪生系统10相配合，组成振动传感器智能检测系统，可对振动环3检测到的刀柄内部振动信号进行分析，采集振动加速度、速度、位移信息、内置频域分析等智能算法，输出实时振幅图提供给操作者可视化监测，其中多维振动传感器4包含了无线通信模块以及传感模块，对于电源敏感，并要求电源纹波要尽可能的低，并且电源模块自身损耗要低。与DC-DC开关转换器相比，LDO稳压器不产生纹波，具有更低的静态电流，并且LDO所需的外部无源元件数量更少，通常只需要一两个旁路电容，可简化电路设计以及降低成本，因此选用LDO比DC-DC转换器更加合适。无线振动传感器的电源模块包含了LDO稳压电路，锂电池充电电路。锂电池充电电路的输入电压为4V～6.5V。加工过程中的出现的问题刀路，系统将根据报警时的弹窗反馈与时间段，记录对应刀路的预测问题所在，实时保留至云端，在加工同类型零件可调出参考，并且长期加工可进行人工智能学习，进行刀具自身智能化加工，通过刃具末端运动实时智能补偿。

无线传输模块9所采用的WiFi模块ESP-F1使用名为ESP8266的高性能芯片制造。综合考虑通信距离、网络容量、数据传输稳定性、数据传输速等因素，选用集成Zigbee模组。该Zigbee模组数据传输距离最远1200m，网络最大容量为300，单个数据帧为96字节，在点对点的数据传输测试中，间隔200ms连续发送100KB的数据无误码，能够满足数据传输距离、数据传输稳定性的需求，除了以上的优点，该模组短地址可自定义并固定不变。Zigbee模组(鼎泰克电子公司，DRF1609F)采用邮票封装与孔封装结合，内部集成CC2630芯片、板载天线等元件，无需另外设计射频电路。Zigbee模组与主控制器串口2相连，供电端与3.3V相连。本发明为智能数控装置，发明自身对其模块电路等一系列电子模块方面就提出了极高的要求。为此我们改变了连接方式、触点位置、触点形状等一系列设计，就是为了确保不会因为某些位置错误而导致电路板损坏，由此来确保加工零件的效率，也可以保证刀具与模板之间二者的整体性。同时数字孪生系统10将会外接斯沃数控仿真系统，建立实时智能切削可视化仿真单元，与机床同频显示，便于操作者实时观察零件加工时形状尺寸与图纸要求是否一致。整个组合系统可同时可以监测32把刀具，将正在加工或未加工的刀具产生的振幅无线传输至系统，可同时预测刀具磨损状态、剩余电量等。加工过程中的出现的问题刀路，系统将根据报警时的弹窗反馈与时间段，记录对应刀路的预测问题所在，实时保留至云端，在加工同类型零件可调出参考，并且长期加工可进行人工智能学习，进行刀具自身智能化加工，通过刃具末端运动实时智能补偿。不断通过对刀具的振动频率的收集、传输，以及形成不同的波形图与加工参数记录，并基于目前的大数据分析能力的基础，对将要发生断刀等一系列问题进行分析、预警，以此来达到获得一个断刀的预测数据，以此来精确计算每一件刀具的生命周期过程。

PID大数据分析系统7通过分析比例系数、积分系数和微分系数之间的函数关系，并根据三者的关系进行计算，由计算结果分析出刀具的加工情况以及预测后续加工时所会出现的问题。由于切削机械加工过程中的控制系统主要是由被控制系统、检测器以及检测反馈机制等环节共同组成。在控制系统当前值离目标值较远时，减弱PID积分作用，反之则加强PID积分作用，但改进算法未考虑积分作用对控制系统实时性的不利影响，积分分离级数过多，会导致系统响应变慢，实时性降低；同时，各级积分分离系数的前提条件并不合适，特别在输入有干扰信号时，仅考虑偏差的大小来确定积分分离系数有失偏颇，若仅因偏差较大而取消积分作用，容易引起误判。因此设计两级积分分离，以偏差绝对值与输入信号绝对值的比值作为前提条件判断依据，在控制系统当前值离目标值较远时，依靠PD计算来使控制系统当前值趋近目标值；当且仅当控制系统当前值在目标值附近某个可接受范围时，驱使控制系统快速响应，达到稳态，同时消除稳态误差。考虑引进积分分离系数，将PID计算公式调整为：

式中u

k

k

k

β-积分分离系数；

k-当前计算次数；

n-最大计算次数；

E

SV-输入信号值；

e-积分分离阈值。

PID微分项是对当前偏差和前一次偏差的作用，反映的是偏差的变化，因此具有预见性，可以提前对偏差做修正。微分控制可以适当克服波动，减小超调量，但过大会导致系统震荡。当系统存在干扰时，微分项相当于放大高频信号，会产生震荡。通过改进PID微分环节，考虑到由于地面不平导致的AGV车身的抖动、振动等因素，造成控制系统输出信号波动较大，引入一阶惯性滤波算法对传感器采集的数据进行处理：

Y(m)＝αX(m)+(1-α)Y(m-1)

滤波处理后，可有效抑制干扰，使系统输出曲线变得平滑。滤波处理的平稳度和灵敏性由滤波系数决定，平稳度反映了系统抗干扰的能力，灵敏性反映了系统跟踪原始输入信号的能力。滤波系数a∈0，1]，a越小，滤波作用越强，平稳度越高，a越大，滤波作用越弱，灵敏性越高。将滤波系数a调整为随输入信号变化的变量，可提升滤波作用的灵活性，调整公式如下：

由此可解得：

由PID控制律和闭环控制方程知约束方程为：

将偏差值输入到算法中，分析比例系数、积分系数和微分系数之间的函数关系，并根据三者的关系进行计算，计算结果即为最终的控制效果。

本发明在加工结束后可将整个装置放置在80中进行无线充电，其中采用的无线充电系统主要是运用电磁感应原理，通过线圈进行能量耦合实现能量的传递。系统工作时输入端将交流市电经全桥整流电路变换成直流电，或用24V直流电端直接为系统供电。无线充电技术是一种特殊的供电方式，它不需要电源线，依靠电磁波传播，然后将电磁波能量转化为电能，最终实现无线充电。本产品采用无线充电技术，可以大幅度减少充电前的一系列操作，减少操作的复杂性，从而进一步提高生产效率。同时无线充电刀柄座8具有过流、过温、短路、过压、过功率、电磁场、欠压、静电、雷击九种防护；当刀柄电量充满时，自动切换至涡流模式，防止过度充电；

本发明提供了一种基于大数据模糊PID反推导的多轴加工刀具自检测补偿的装置，其结合了普通刀柄简单轻便的优点并且开创性地融入了多维度振动检测、高精度可调振频的阻尼单元、无线传输系统。无线充电系统、数字孪生系统以及PID大数据分析系统，使得多轴精密加工领域变得更加智能化，整体加工效率、加工精度以及表面质量都会有质的提升。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。