基于數(shù)控車(chē)床的切削力測(cè)量

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，切削力的測(cè)量顯得尤其重要。本文一開(kāi)始，從總體上介紹了切削力測(cè)量的大致方法。后面介紹了一種常用的利用單片機(jī)測(cè)量切削力的方法，以及介紹了DSP與虛擬儀器這種應(yīng)用于切削力測(cè)量的新方法。希望本文能為相關(guān)研究人員提供新的思路。

關(guān)鍵詞：數(shù)控車(chē)床；切削力；測(cè)量；單片機(jī)；DSP

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.021

0 引言

在數(shù)控車(chē)床的加工過(guò)程中，切削力對(duì)整個(gè)加工過(guò)程有著重要的影響。首先在切削過(guò)程中，切削力導(dǎo)致了切削熱的產(chǎn)生，切削熱會(huì)使刀具產(chǎn)生不同程度的磨損，進(jìn)而對(duì)降低刀具的耐用度與加工表面的質(zhì)量，會(huì)影響整個(gè)加工過(guò)程。其次，可以根據(jù)切削力計(jì)算出切削功率的大小，選擇合適的機(jī)床、刀具與夾具。最后，通過(guò)對(duì)切削力的測(cè)量可以保證數(shù)控機(jī)床順利的運(yùn)行，在數(shù)控加工中可以實(shí)時(shí)監(jiān)控，有利于數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)加工，避免出現(xiàn)過(guò)載等問(wèn)題。在研究數(shù)控車(chē)床切削力的時(shí)候，根據(jù)實(shí)際需要通常把總的切削力分解成X、Y、Z方向上三個(gè)互相垂直的力來(lái)進(jìn)行測(cè)量。

1 數(shù)控車(chē)床切削力測(cè)量方法分類(lèi)

最開(kāi)始的方法，是利用一些已有的經(jīng)驗(yàn)公式，帶入數(shù)據(jù)得出切削力的數(shù)值。例如，機(jī)床在加工的時(shí)候，產(chǎn)生的功率可以用儀器測(cè)量出來(lái)。如果切削速度可以確定，代入經(jīng)驗(yàn)公式可以得出具體的切削力數(shù)值。這種方法可以粗略估算切削力的值，誤差大。以下常用的方法大致可以分為直接測(cè)量和間接測(cè)量。

直接測(cè)量一般利用測(cè)力儀將測(cè)得的力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)一系列處理后讀出三個(gè)方向上的切削分力值。這種方法具有靈敏度高、量程范圍大等優(yōu)點(diǎn)但是耗時(shí)大、誤差大、測(cè)量精度較高，可以通過(guò)不同的數(shù)據(jù)處理方法提高測(cè)量精度。

2 基于單片機(jī)的數(shù)控車(chē)床切削力測(cè)量

利用單片機(jī)測(cè)量數(shù)控車(chē)床的切削力，系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般為將力通過(guò)傳感器進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)電橋放大器把信號(hào)進(jìn)行放大，然后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理，通過(guò)設(shè)計(jì)按鍵電路使LED數(shù)碼管進(jìn)行循環(huán)顯示切削力的大小，設(shè)置通信接口，當(dāng)切削力過(guò)大時(shí)進(jìn)行過(guò)載報(bào)警。

電阻應(yīng)變片和壓電晶體是我們測(cè)量力的時(shí)候常用的傳感器。其中電阻應(yīng)變片具有靈活性大、適應(yīng)性廣、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。在數(shù)控車(chē)床車(chē)削時(shí)，車(chē)削力經(jīng)工件轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞于車(chē)刀刀架上，使緊貼在上面的電阻應(yīng)變片產(chǎn)生變形。無(wú)論應(yīng)變片受拉伸使電阻絲直徑變細(xì)，或者應(yīng)變片受壓縮變形使電阻絲直徑變粗，都會(huì)使電阻值發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電信號(hào)。

3 基于DSP實(shí)現(xiàn)機(jī)床切削力信號(hào)在線監(jiān)測(cè)

我們選取壓電測(cè)力采集機(jī)構(gòu)，采取壓電刀桿式的測(cè)力方法進(jìn)行測(cè)量。機(jī)構(gòu)在外形上與普通外圓車(chē)刀相似，在后面加一個(gè)三向的壓電傳感器對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集。機(jī)床工作產(chǎn)生切削力的時(shí)候，切削力會(huì)作用在壓電傳感器上，自動(dòng)在X 、Y 、Z 三個(gè)方向進(jìn)行分解并輸出。測(cè)得的輸出信號(hào)需要經(jīng)過(guò)電荷放大器處理后，連接采集系統(tǒng)TMS320C5402。利用TMS320C5402數(shù)字信號(hào)處理器組成的采集系統(tǒng)，對(duì)壓電傳感器測(cè)得的切削力信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并動(dòng)態(tài)顯示信號(hào)。實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與通信采集系統(tǒng)的通信，從而來(lái)監(jiān)控?cái)?shù)控機(jī)床的加工過(guò)程。

電荷是壓電力傳感器的輸出信號(hào)，作用力的大小可以通過(guò)電荷的多少來(lái)進(jìn)行反應(yīng)。通過(guò)電荷放大器，我們可以將微弱的電荷量進(jìn)行處理，進(jìn)行完這一系列的操作后，就能利用DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)的處理。數(shù)字信號(hào)處理器將采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理與分析。具體的操作包括顯示、濾波、相關(guān)分析譜分析等，在時(shí)域和頻域上對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，可以得出信號(hào)的特征。

4 基于虛擬分析儀的切削力測(cè)量

當(dāng)今時(shí)代，科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展尤其迅速，有各種各樣新式儀器，現(xiàn)在出現(xiàn)了一種基于計(jì)算機(jī)和軟件的儀器——虛擬儀器。

切削力測(cè)量的傳統(tǒng)方法需要用專(zhuān)門(mén)的測(cè)力儀、示波器、記錄儀等，這種方法的局限性是只能測(cè)量力的數(shù)值，之后需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)處理，才能得到經(jīng)驗(yàn)公式。虛擬分析儀可以對(duì)作用在刀具上的力和力矩進(jìn)行分析，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、平滑等一系列的處理。虛擬儀器可以顯示圖形，這可以提高對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的理解和解釋?zhuān)蓪?duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)管理 ，充分體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)在數(shù)據(jù)計(jì)算 、存儲(chǔ) 和顯示等方面的巨大優(yōu)勢(shì)。在節(jié)省財(cái)力、人力的條件下，具有精確度高，速度快，穩(wěn)定性高，使用方便的優(yōu)點(diǎn)。

力信號(hào)可以應(yīng)用八角環(huán)測(cè)力儀轉(zhuǎn)換成電阻變化信號(hào)，再通過(guò)動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀將電阻變化信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，后面連接計(jì)算機(jī)，再通過(guò)虛擬式分析儀器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

在數(shù)控機(jī)床車(chē)削加工中，利用虛擬分析儀器對(duì)輸出的電信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可以得到切削力的值。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以得出，對(duì)各種電信號(hào)可以利用虛擬式信號(hào)分析儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、處理和分析。此種方法包含了各種儀器，方便使用，有很好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

5 存在的問(wèn)題以及發(fā)展

現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的切削加工正在朝著高速度、高精度、高自動(dòng)化的方向快速發(fā)展。這會(huì)大大提高生產(chǎn)者對(duì)切削力測(cè)量系統(tǒng)的要求。切削力的測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)該具有較寬的測(cè)量范圍、以及較高的分辨率；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)性好，能在線進(jìn)行測(cè)量；數(shù)據(jù)處理與分析能力強(qiáng)大，能夠?qū)Ω鞣N復(fù)雜的切削力信號(hào)進(jìn)行快速準(zhǔn)確的分析。

針對(duì)切削力測(cè)量系統(tǒng)精度的問(wèn)題，可以開(kāi)發(fā)新型的彈性元件，將彈性元件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行完善，合理設(shè)計(jì)應(yīng)變片的擺放方案，可以有效解決應(yīng)變式測(cè)力儀靈敏度低問(wèn)題，提高測(cè)量系統(tǒng)的精度。將集成電路與微電子技術(shù)應(yīng)用到切削力測(cè)量系統(tǒng)中，集成化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的速度與精度得到提高。

6 結(jié)論

切削力的測(cè)量有著重要的實(shí)際意義，有利于數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。切削力的測(cè)量方法，總體上分為間接測(cè)量與直接測(cè)量。其中間接測(cè)量誤差大，適用于一些特定的場(chǎng)合。利用單片機(jī)技術(shù)可以較為方便、快速的測(cè)量出切削力的大小，性價(jià)比高但精度低。DSP與虛擬儀器等新技術(shù)將會(huì)有更大的發(fā)展前景。

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作者簡(jiǎn)介：黃錫祥（1993-），男，貴州黃平人，本科，研究方向： 機(jī)械。