切削力測(cè)量技術(shù)發(fā)展論文
時(shí)間：2022-02-11 10:40:00
導(dǎo)語：切削力測(cè)量技術(shù)發(fā)展論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。
切削力測(cè)量系統(tǒng)一般由三部分構(gòu)成：由測(cè)力儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和PC機(jī)三部分組成，如圖1所示。測(cè)力儀（測(cè)力傳感器）通常安裝在刀架（車削）或機(jī)床工作臺(tái)上（銑削），負(fù)責(zé)拾取切削力信號(hào)，將力信號(hào)轉(zhuǎn)換為弱電信號(hào)；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)此弱電信號(hào)進(jìn)行調(diào)理和采集，使其變?yōu)榭捎玫臄?shù)字信號(hào)；PC機(jī)通過一定的軟件平臺(tái)，將切削力信號(hào)顯示出來，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。
1.1切削測(cè)力儀
1.1.1應(yīng)變式測(cè)力儀
應(yīng)變式測(cè)力儀由彈性元件、電阻應(yīng)變片及相應(yīng)的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路組成，其工作原理如圖2所示。把電阻應(yīng)變片貼在彈性元件表面，并連接成某種形式的電橋電路，當(dāng)彈性元件受到力的作用而產(chǎn)生變形時(shí)，電阻應(yīng)變片便隨之產(chǎn)生變形，從而引起其電阻阻值的變化ΔR，即
應(yīng)變片電阻值的變化ΔR造成電橋不平衡，使電橋輸出發(fā)生變化ΔU，通過標(biāo)定建立輸出電壓與力之間的關(guān)系。使用時(shí)根據(jù)輸出電壓反算切削力的大小。
應(yīng)變式測(cè)力具有靈活性大、適應(yīng)性廣、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，而且配套儀表（如靜態(tài)應(yīng)變儀、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀等已標(biāo)準(zhǔn)化，因而得到廣泛應(yīng)用。但是其測(cè)量原理決定了測(cè)量精度和動(dòng)態(tài)特性主要取決于彈性元件的結(jié)構(gòu)，如何有效解決靈敏度和剛度之間的矛盾，是提高應(yīng)變式測(cè)力儀測(cè)量精度和動(dòng)態(tài)特性的關(guān)鍵。
1.1.2壓電式測(cè)力儀
壓電式測(cè)力儀是以壓電晶體為力傳感元件的切削測(cè)力儀，當(dāng)石英晶體在外力作用下發(fā)生變形時(shí)，在它的某些表面上出現(xiàn)異號(hào)極化電荷。這種沒有電場(chǎng)的作用、只是由于應(yīng)變或應(yīng)力在晶體內(nèi)產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。通過測(cè)量產(chǎn)生電荷量即可以達(dá)到測(cè)量切削力的目的。
從動(dòng)態(tài)測(cè)力的觀點(diǎn)出發(fā)，壓電式測(cè)力儀是一種比較理想的測(cè)力傳感器，具有靈敏度高、受力變形小等優(yōu)點(diǎn)。然而壓電式測(cè)力傳感器仍然存在一系列缺點(diǎn)：如由于電荷泄漏而不能測(cè)試靜態(tài)力、固有頻率的提高受裝配接觸剛度的限制、維護(hù)極不方便、價(jià)格昂貴，因此在使用上受到很大的限制。
1.1.3電流式測(cè)力儀
直接使用測(cè)力儀測(cè)量切削力有其局限性：①安裝測(cè)力儀時(shí)，工藝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)遭到破壞從而導(dǎo)致其剛度發(fā)生變化，采集不到精確的切削力力信號(hào)；②測(cè)力儀的安裝、調(diào)試技術(shù)復(fù)雜；③測(cè)試設(shè)備花費(fèi)較高；④測(cè)力儀測(cè)試系統(tǒng)可靠性較低。
文獻(xiàn)［4］提供了一種間接測(cè)量切削力的方法，即電流式測(cè)力儀，其測(cè)量原理是：切削力的變化會(huì)引起主軸電機(jī)電流的變化，通過測(cè)量主軸電機(jī)電流來估計(jì)切削力的大小。因機(jī)床主軸電機(jī)電流的測(cè)量比較容易和簡(jiǎn)單，所以這是一種經(jīng)濟(jì)而又簡(jiǎn)便的方法。
電流式測(cè)力儀的局限性體現(xiàn)在兩個(gè)方面：①把主傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型看作是一個(gè)線性模型，所以加工過程中的非線性因素會(huì)在一定程度上降低測(cè)量精度；②當(dāng)切削力發(fā)生變化時(shí)，相應(yīng)的主軸電流信號(hào)有一定的滯后現(xiàn)象，無法滿足對(duì)切削力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的較高要求。
1.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
如圖3所示，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過一定的電子線路，對(duì)測(cè)力儀的輸出信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理后，將其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，變?yōu)橛?jì)算機(jī)的可用信號(hào)，再通過接口電路與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
目前大多數(shù)切削力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由放大器、濾波器、數(shù)據(jù)采集卡等分立元器件組成，體積較大，系統(tǒng)穩(wěn)定性不高，測(cè)量精度和實(shí)時(shí)性也漸漸滿足不了現(xiàn)代測(cè)力系統(tǒng)的要求。
1.3數(shù)據(jù)顯示和分析處理
早期的數(shù)據(jù)顯示和分析處理單元由指示儀表、示波器和記錄儀等組成，其數(shù)據(jù)顯示和分析處理功能都是很有限的。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，目前數(shù)據(jù)顯示和分析處理單元基本上被計(jì)算機(jī)終端所代替，顯示功能更加豐富和強(qiáng)大，但軟件的功能僅局限于數(shù)據(jù)擬合、圖表顯示和輸出等，對(duì)測(cè)力儀各向力之間的耦合沒有進(jìn)行有效的處理，從一定程度上影響了測(cè)力精度。
2切削力測(cè)量技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
現(xiàn)代切削加工正在向高速強(qiáng)力切削、精密超精密加工方向發(fā)展，機(jī)床的振動(dòng)頻率也會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于系統(tǒng)的固有頻率，這對(duì)切削力測(cè)量系統(tǒng)提出了新的要求：①測(cè)量范圍大、高精度和高分辨率；②實(shí)時(shí)性好，能夠在線實(shí)時(shí)測(cè)量；③數(shù)據(jù)處理和分析能力強(qiáng)，能夠?qū)?fù)雜多變的切削力信號(hào)進(jìn)行各種處理和分析。
針對(duì)這些方面的要求，切削力測(cè)量技術(shù)將朝著以下幾方面發(fā)展：
（1）開發(fā)新型彈性元件，優(yōu)化彈性元件結(jié)構(gòu)及應(yīng)變片布片方案，提高應(yīng)變式測(cè)力儀固有頻率，有效解決應(yīng)變式測(cè)力儀剛度和靈敏度之間的矛盾問題，降低各向力之間的耦合程度；
（2）應(yīng)用集成電路和微電子技術(shù)，使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成化，提高數(shù)據(jù)采集的速度與精度；
（3）完善數(shù)據(jù)處理分析軟件的功能，例如通過解耦運(yùn)算進(jìn)一步減小測(cè)力儀各向力之間的耦合程度，以提高測(cè)量精度；將虛擬儀器技術(shù)引入切削力測(cè)試系統(tǒng)，以便對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行多種操作和數(shù)據(jù)庫管理；建立專家系統(tǒng)，通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析處理，對(duì)刀具磨損、切削顫振等情況做出預(yù)報(bào)并提出相應(yīng)的治理措施。
參考文獻(xiàn)
［1］羅學(xué)科.動(dòng)態(tài)多維力傳感器的理論研究與實(shí)踐［D］.北京航空航天大學(xué)博士論文,1995.1.
［2］姜術(shù)君.采用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建測(cè)力系統(tǒng)的研究［D］.北京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文,2004.3.
［3］楊兆建，王勤賢.測(cè)力傳感器研究發(fā)展綜述［J］.山西機(jī)械，2003，（1）.
［4］周林，殷俠.數(shù)據(jù)采集與分析技術(shù)［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005.
［5］張小牛，侯國平，趙偉.虛擬儀器技術(shù)回顧與展望［J］.測(cè)控技術(shù)，2000，（9）.
［6］蘇建修.高速切削關(guān)鍵技術(shù)［J］.機(jī)電國際市場(chǎng)，2001，（11）.
摘要：分析了目前切削力測(cè)量技術(shù)的現(xiàn)狀及存在問題，根據(jù)現(xiàn)代切削加工高速、高精度和強(qiáng)力切削的特點(diǎn)，提出了切削力測(cè)量技術(shù)新的要求及發(fā)展趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞：切削力；測(cè)量技術(shù)；現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)