壓電式切削測力儀快速標(biāo)定系統(tǒng)研究

王 璐

（太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

0 引言

切削力對研究切削機(jī)理、計算功率消耗、設(shè)計工藝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、制定合理的切削用量、優(yōu)化刀具幾何參數(shù)等具有非常重要的意義［1］。切削力的理論計算誤差較大，所以通常利用切削測力儀采用實驗的方法獲得。為了提高測力儀的動力學(xué)性能，目前廣泛采用壓電式切削測力儀。而壓電晶體存在電荷泄漏的不足［2］，使得壓電晶體傳感器的高精度靜態(tài)標(biāo)定十分困難。傳統(tǒng)的切削測力儀標(biāo)定采用測力環(huán)上的千分表讀取加力值，達(dá)到設(shè)定力值的調(diào)整時間長，致使電荷泄漏更加嚴(yán)重，標(biāo)定精度差。本文采用對比測量法，設(shè)計了新型的壓電晶體測力標(biāo)定系統(tǒng)，采用計算機(jī)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，自動識別記錄并取樣加力值，極大地縮短了標(biāo)定時間，從而很好地消除了電荷泄漏的影響。

1 標(biāo)定系統(tǒng)硬件設(shè)計

1．1 標(biāo)定系統(tǒng)組成原理

要減小電荷泄漏影響，必須減少標(biāo)定過程的操作時間，為此增加一個力傳感器自動檢測加載力值，解決原標(biāo)定系統(tǒng)人工計數(shù)速度慢的問題。

自行設(shè)計了快速標(biāo)定裝置，切削測力儀采用大連理工大學(xué)生產(chǎn)的YDCB－III05三向壓電測力儀，其主要由4個YDS－III79K型壓電石英三維力傳感器組成［3］，其X、Y 兩向固有頻率均在5kHz以上，而Z向固有頻率可達(dá)25kHz以上。內(nèi)置的x、y、z方向的壓電式傳感器位置經(jīng)過精心布局，可以反映出Fx、Fy、Fz的大小變化，并最大可能地消除3向分力的干擾。另外購置一個江蘇聯(lián)能電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的CLYD－312A壓電晶體力傳感器，用于測量加載力的大小，其截止頻率大于30kHz。4路傳感器通過4個電荷放大器接入接線盒，并引入PCI9118高速數(shù)據(jù)采集卡（采樣頻率達(dá)330kHz），每路的采集時間僅12μs，實現(xiàn)了4路信號的準(zhǔn)同時測量。通過編制軟件，每組標(biāo)定數(shù)據(jù)間加載不需要停頓，大大縮短了加載時間，有效減小了電荷泄漏的影響。標(biāo)定系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 標(biāo)定系統(tǒng)硬件組成框圖

1．2 三向加載機(jī)構(gòu)設(shè)計

圖2為三向加載機(jī)構(gòu)的實物照片，水平有兩個U型可移動支座，用于X、Y方向的加載，Z方向的可調(diào)加載支座設(shè)計了兩個螺柱及橫梁并形成門形結(jié)構(gòu)，提高了其承載能力。壓電式測力儀以及x、y、z方向可調(diào)加載支座用螺釘固定在它的工作臺上，3個方向的加載支座可沿垂直于各自加載方向移動20mm；根據(jù)標(biāo)定實驗，只有一個方向加載，一個專用加載螺旋機(jī)構(gòu)可以分別安裝在3個方向的加載支座中，并可以沿垂直于支座移動方向移動20mm，通過調(diào)整來保證加載方向與刀具安裝位置準(zhǔn)確對應(yīng)，傳感器所受載荷和標(biāo)定刀桿受力中心所受載荷一致，并可適用于多種尺寸刀桿的刀具標(biāo)定。

圖2 三向加載機(jī)構(gòu)

三向加載機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部分——加載螺桿要完成切削測力儀標(biāo)定的加載任務(wù)，不能產(chǎn)生附加扭矩，為此在加載螺柱和測量傳感器之間增加了一個推力軸承（型號為51100），螺桿施加載荷通過軸承與傳感器中間的支撐座傳給傳感器。為防止實際切削刀具刀尖的受力損壞，以保證對標(biāo)定刀桿加載方便準(zhǔn)確、穩(wěn)定，設(shè)計了如圖3所示的專用的z向快速標(biāo)定機(jī)構(gòu)，其前端焊接了一個鋼球，加載力等效作用在球心，在測量頭上做了一個V型孔，保證所加載荷就在螺桿的受力中心。在支座中安裝有一個懸浮螺紋套調(diào)整加載位置，加載螺柱栓安裝在能移動的螺紋套中，當(dāng)受到一定的軸向加載力時，螺紋套可以水平移動，實現(xiàn)了在加載機(jī)構(gòu)調(diào)整過程中螺紋套的自動對中，保證了加載位置的準(zhǔn)確性。

圖3 Z向快速標(biāo)定機(jī)構(gòu)圖

2 快速標(biāo)定系統(tǒng)軟件設(shè)計

為了加快標(biāo)定速度，設(shè)計了自動檢測加載力軟件，由基于線程的數(shù)據(jù)采集軟件以較高頻率采集加載力以及三向分力Fx、Fy、Fz的實時數(shù)據(jù)，并放入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，線程技術(shù)避免了用戶界面操作對采集過程的影響，編程原理如圖4所示。其中PCI9118數(shù)據(jù)采集卡采樣頻率高達(dá)82kHz／路，即使采用分時采集，一組數(shù)據(jù)中的時間差也可忽略。主程序可根據(jù)用戶事先設(shè)定的加載力初值、終值及測量組數(shù)，自動讀取數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的實時數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測到加載力達(dá)到規(guī)定的標(biāo)定點力值時，將這組數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)保留并在曲線中顯示，直至采集完規(guī)定的數(shù)據(jù)組數(shù)，實現(xiàn)了標(biāo)定加載操作不需要停頓觀察加載力值，在很大程度上減少了操作時間，提高了標(biāo)定精度。

3 切削測力儀標(biāo)定實驗

3．1 標(biāo)定實驗操作步驟

（1）運(yùn)行切削力標(biāo)定軟件，進(jìn)入如圖5所示的Z向快速標(biāo)定系統(tǒng)。

圖4 快速標(biāo)定系統(tǒng)軟件框圖

圖5 Z向快速標(biāo)定操作界面

（2）設(shè)定采樣頻率（默認(rèn)值為10 000Hz）、加載力初值（默認(rèn)值為0N）、終值（默認(rèn)值為2 000N）及測量組數(shù)（默認(rèn)值為10組），點擊“啟動采集”按鍵，當(dāng)前的加載力值實時地顯示在右上角“載荷”視圖中。

（3）操作者快速連續(xù)加載，“載荷”視圖中實時出現(xiàn)加載力的數(shù)值，“電壓”視圖中實時出現(xiàn)標(biāo)定值的離散點；加載時用余光觀察界面，出現(xiàn)“數(shù)據(jù)采集完畢！”時停止加載，Z方向的加載過程完成。

（4）單擊“標(biāo)定”按鈕，“電壓”視圖出現(xiàn)用最小二乘法擬合的3條直線，一個方向的標(biāo)定完成。

（5）重復(fù)上述步驟，完成X、Y兩個方向的標(biāo)定。

3．2 快速標(biāo)定結(jié)果分析

軟件自動取樣標(biāo)定結(jié)果顯示在圖5中。軟件自動取樣是由軟件自動檢測實時載荷數(shù)據(jù)，只要發(fā)現(xiàn)合適的載荷采樣點，軟件自動將該組數(shù)據(jù)顯示在圖5左圖中，因此在加載過程中，操作者不需要觀察就可以連續(xù)快速加載，即在“載荷”視圖中出現(xiàn)了連續(xù)快速上升的加載曲線，加載時間明顯縮短，自動取值的離散數(shù)據(jù)點和擬合的直線重合得非常好，說明標(biāo)定精度很高。

Z方向加載時3個方向的標(biāo)定斜率分別為：X：0．009 1；Y：0．004 2；Z：0．025 9。說明Z 方向加載對X、Y兩個方向的輸出有影響，從標(biāo)定曲線上可以知道這些影響呈線性關(guān)系，可以通過求解線性方程組的辦法消減向間干擾的影響［3］。

4 結(jié)論

針對壓電晶體存在電荷泄漏的先天不足，設(shè)計了標(biāo)定力和切削測力儀三向分力的同步采集硬件系統(tǒng)，采樣頻率大于80kHz／每通道；編制了基于線程的自動數(shù)據(jù)采集和處理軟件，大大減少了人工讀數(shù)時間，提高了標(biāo)定速度，自動取值的離散數(shù)據(jù)點和擬合的直線重合的非常好，有效減少了電荷泄漏對標(biāo)定精度的影響，達(dá)到了設(shè)計要求，為壓電式傳感器的標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計提供了借鑒模式。

［1］ 王時英，呂明．基于LabVIEW的車床動態(tài)剛度測量系統(tǒng)研究［J］．太原理工大學(xué)學(xué)報，2007，38（4）：329－332．

［2］ 王化祥，張淑英．傳感器原理及應(yīng)用［M］．第3版．天津：天津大學(xué)出版社，2007．

［3］ 劉曉玲，張軍，錢敏．新型壓電式車削測力儀的研究［J］．傳感器技術(shù)，2005，24（12）：35－37．