摘要:提出了实施切削过载在线监控的新方法，详细地阐述了该方法的工作原理，并根据该原理设计了切削过载在线监控系统的硬软件。

数控机床在切削过程中常因为编程参数及指令使用的错误等原因造成切削过载。现有数控机床处理切削过载的检测与控制方法是:(1)利用主轴和进给电动机过流特性切断强电源：(2)CNC装置采集到主轴和进给电动机过流信号发出驱动报警，使主轴和进给电动机停止运行。这两种方法虽能对数控机床起到一些保护作用，但刀具往往卡在工件中，很容易损坏工件、刀具和主轴。为解决上述问题，本文提出了切削过载在线监控的新方法，即在切削过程中，通过检测主轴和进给电动机的功率及角速度，计算出切削扭矩。再根据切削扭矩限定值，确定切削是否过载。当CNC装置接收到切削过载信号后，控制刀具按一定路径退出切削过载区。

1 在线监控的工作原理

在切削过程中，切削过载会引起切削扭矩的变化，而切削扭矩的变化将引起电动机输出功率的变化。因此检测电动机功率就能判别切削过载否，CNC装置接收到切削过载信号后控制主轴和进给电动机，发出切削过载报警，使刀具退出切削过载区，从而保证工件的加工精度以及机床的安全。

机床切削加工时，主电动机和进给电动机的切削输出功率为 P₀=P_i-P₁式中：P₀——切削时的电动机输出功率

P_i——电动机有功功率瞬时值

P₁——电动机本身及机床传动系统所消耗的功率

根据切削理论可知，主轴或进给电动机的切削扭矩为 M=P₀/w式中：M——主轴或进给电动机切削扭矩

P₀——切削时的主轴或进给电动机输出功率

w——主轴或进给电动机角速度

设M_s为切削过载限定值，当M>M_s，则认为切削过载。以上分析可知，判别切削过载否，实际上转为求P_i、P₁和w 值。由电工学原理可知，三相电动机的瞬时功率为 P=V_ACi_A+V_BCi_B式中：V_AC——A、C 两线间电压

V_BC——B、C 两线间电压

i_A、i_B——分别为A、B火线上电流

又知P=P_i+P_w，P_w为电动机无功功率。所以 P_i=V_ACi_A+V_BCi_B-P_w

通过测得电动机电压、电流及无功功率可求得P_i。无功功率P_w可用频率可调的数字式带阻滤波器消除。P₁由固定损耗功率和可变损耗功率组成。固定损耗功率是不随外界因素变化的，可变损耗功率在电动机起动而没有切削时测得。角速度w可通过直接测得电动机转速得到。

设刀具当前位置为(X₀，Y₀，Z₀)，当前加工轨迹起点为(X_s，Y_s，Z_s)。则刀具反方向位移量为DX=X_s-X₀，DY=Y_s-Y₀，DZ=Z_s-Z₀。

若当前加工轨迹为直线，则CNC装置执行下列NC程序后退出切削过载区。

G01 G91 XDX YDY ZDZ F1500

M05 M02

若当前加工轨迹为圆弧(G02/G03)，则CNC装置执行下列NC 程序退出(其中X、Y、Z根据插补平面选取两项，Rs为圆弧半径值)。

G03/G02 G91 XDX YDY ZDZ RRs F1500

M05 M02

图1 在线监控系统硬件组成框图
图2 切削过载检测软件
图3 CNC装置处理切削

2 在线监控系统硬件组成

在线监控系统的硬件组成框图如图1 所示。

硬件电路由CNC和切削过载检测两部分组成。切削过载信号通过CNC装置的中断源输入端输入。检测部分采用8031单片机，它受CNC装置计算机的控制。电流传感器由霍尔元件及放大器构成，电压传感器由高比值的变压器构成。低通滤波器滤掉电压信号中的高频成分。w测量电路由接近开关、电平转换电路以及脉冲整形电路组成，其脉冲输出接入8031单片机计数端。测得的电压、电流值经A/D 转换后送入8031单片机处理，求得切削扭矩，再根据切削扭矩限定值决定切削过载否。

3 在线监控软件

切削过载监控软件分为两部分:一部分是切削过载检测软件(图2)：另一部分为CNC装置处理切削过载中断服务程序(图3)。检测部分的工作过程为:当监控系统上电后，检测电路采集电动机电压信号，若有电压，说明电动机已工作。电动机工作后，计算电动机及传动系统损耗功率P₁值。运行测电流、电压子程序，计算电动机有功功率瞬时值P_i和输出功率P₀。起动单片机定时器/计数器，求出w值，最后算出切削扭矩M。若M值没有超过切削过载限定值M_s，则检测CNC装置提供的加工完成信号。若加工完成则结束切削过载检测，若没有加工完成则继续过载检测。若M值超过M_s，则输出切削过载信号，等待CNC装置响应。CNC响应完成后，结束在线过载中断服务程序检测。CNC装置响应中断处理切削过载的工作过程如图3。

4 实验验证

切削过载的在线监控实验在由南京工程学院和南京第二机床厂联合研制的XH0825型小型立式加工中心的X进给轴上进行。X进给轴采用松下伺服驱动单元MQMA082A。额定功率为750W，额定电流为2.2A。电压检测采用变压器方式，将二次侧电压整流滤波后送入A/D 转换器。w测量电路由接近开关LJ12A3-4-Z/B1X来检测，并送入8031单片机的计数端。在实验过程中，将切削过载转矩设定为额定转矩的1.15倍，即当切削超载15%时，使CNC装置响应，并使X轴向原切削方向的反方向运动，刀具退出过载区。实验证明，该切削过载的在线监控是可行的。