[发明专利]一种振动攻丝在线故障诊断的方法及其装置

说明书

所属技术领域

本发明属于机械加工领域，特指一种振动攻丝在线故障诊断方法及其装置，其应用于机械加工中的攻丝加工，特别是难加工材料和微小螺纹孔的攻丝加工。

背景技术

振动攻丝新工艺最初出自于日本，它的出现是为解决难加工材料攻丝、高精度螺纹孔攻丝和小螺纹孔的攻丝等问题开辟了新的途径。振动攻丝是在传统攻丝的基础上，在丝锥或工件上附加一个有规律的周向振动，使传统攻丝方法中的连续切削过程变成间断、瞬时和重复的切削过程，从而克服了传统攻丝方法存在的切削区封闭、切削区的切削温度高、切削液无法进行有效的冷却润滑的缺陷，并有效地抑制了系统原有的不规则振动，从而达到改善攻丝状况、降低攻丝扭矩、提高攻丝质量和效率的目的。

目前，国际上采用的振动攻丝扭转振源有：步进电机、机械结构和超声波变幅杆等。其中使用性和稳定性最好的是步进电机振源。目前的步进式振动攻丝机有：日本宇宫都大学隈部淳一郎教授等人研制的可装夹在数控机床主轴头上的扭转振动刀柄(见论文“精密振动ねじ立て”，精密机械，48卷，第8期，1982)；沈阳仪器仪表工艺研究所沈承勋等人研制的扭转振动攻丝机(见论文“ZGJ型振动攻丝机”，仪表技术与传感器，1990年第6期)；中国发明专利公开号CN 1123684A“一种高效多功能振动攻丝机”，其主要解决了振动攻丝的周向间隙消除，专门设计了周向间隙消除机构。

国内外现有的振动攻丝装置存在以下问题：

①攻丝系统的灵活性不足，由于大多数攻丝机在攻丝主轴上加上攻丝靠模，则带来的主要问题是：由于振动攻丝在进行不同直径螺纹攻丝时，所采用的振动振幅、切削速度和振动频率都不同，因此，以往的攻丝系统振动攻丝的工艺参数设置的灵活性不足，无法满足多种螺纹直径和各种螺距的螺纹振动攻丝，由于有攻丝靠模的存在，使得这些振动攻丝机无法拓展功能，比如钻孔和铰孔功能等。

②攻丝加工系统无在线监测和故障诊断功能由于攻丝加工是一种封闭或半封闭式加工，丝锥的工作状态比较恶劣，因此在攻丝过程中经常发生丝锥折断现象。目前国内外振动攻丝机尚无在线监测和故障诊断功能，及时对丝锥的可能破坏情况进行预报。

③振动攻丝的工艺参数设置方法不一致，现有的振动攻丝方法上很多都用旋转角速度来定义振动攻丝速度，由于丝锥的直径差别很大，在同样的角速度情况下，丝锥直径不同线速度也不同，真正的攻丝切削速度是丝锥的线速度，切削线速度对振动攻丝的攻丝扭矩有影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种振动攻丝在线故障诊断的方法及其装置，既能够适应各种振动攻丝工艺参数的调整要求以满足多种材料和多种孔径的螺纹孔的攻丝要求，又能够完成对丝锥攻丝状况的在线监测和故障诊断要求，以防止或避免在攻丝的过程中发生丝锥折断，并且还具有钻削和铰孔的功能。利用本装置可用于难加工材料的直径小于或等于M14的各种内螺纹加工。

实现本发明目的的方法，其特征在于采用步进电机为振源和攻丝力源，通过在振动攻丝机床主轴上串接扭矩传感器，接收机械单元中机床主轴传递的动力和振动源信号，经过二次仪表的信号放大和信号整形，再与计算机硬件接口模/数转换模块相连，进行在线扭矩测量与故障诊断。

同时在系统中采用振动频率f及以丝锥的线速度作为切削速度v、正反比例k作为工艺参数组合进行系统控制。最佳的振动频率f为2000/60Hz～7000/60Hz，最佳切削速度v是0.6m/min，最佳正反比例k为3∶2。

实现本发明目的的装置，包括振动攻丝机械单元、步进电机的驱动和控制单元，扭矩测量单元，其特征为在主轴输出端与攻丝夹头间串接扭矩传感器及其攻丝扭矩的分析和存储系统。扭矩传感器通过一个弹性夹持器基套、锁紧套和锁紧螺钉组成的弹性夹持机构与攻丝机主轴固定连接。

本发明以振动攻丝扭矩测量单元为基础，通过计算机在振动攻丝的过程中实时采集攻丝扭矩，利用故障诊断技术对攻丝过程中的扭矩变化进行分析和判断，在线判别出其故障类型，并可根据需要及时停止攻丝加工，待故障排除后再继续加工。

本发明与现有的振动攻丝机相比，具有以下优点：

①在主轴输出端通过串接一扭矩传感器后，实现了振动攻丝系统的扭矩

  闭环在线检测及故障诊断，可以在攻丝过程中对丝锥工作状况进行预

  报，判别故障类型和丝锥折断预防，解决了攻丝加工中久而未决的难题；

②系统使用PC计算机控制，高级计算机编制的程序，使得系统操作简

  单。首次采用振动频率f、切削速度v(丝锥的线速度)和正反比例k