電阻應變式在線鉆削測力儀的設計

胡鴻志，滕全進，管 芳，徐翠鋒，黃俊鋒

(1.廣西自動檢測技術與儀器重點實驗室,廣西桂林 541004；2.桂林電子科技大學電子工程與自動化學院,廣西桂林 541004)

0 引言

鉆削加工是機械制造業(yè)的重要分支，廣泛應用于航空航天、汽車制造和工程機械制造等領域[1]。隨著制造業(yè)發(fā)展趨向于更加靈活的個性化生產(chǎn)，人們對于鉆削加工的可靠性和生產(chǎn)效率具有更高的需求，擬人行為的自適應智能控制已經(jīng)成為鉆削過程控制的重要發(fā)展方向[2]。

鉆削過程智能控制需要大量標注樣本進行算法訓練，這是建立鉆削力與鉆削控制參數(shù)映射關系的必要條件[3-4]。鉆削加工過程中，影響鉆削力的鉆削參數(shù)包括鉆頭的給進速度和主軸轉(zhuǎn)速等[5-6]，鉆削力與鉆削控制參數(shù)之間映射規(guī)律的研究，可以采用鉆削力測量儀器進行在線鉆削力監(jiān)測[7]，替代復雜的鉆削過程建模，簡化鉆削控制算法優(yōu)化工作。

目前，鉆削測力儀大多利用石英晶片的壓電效應，將石英晶片受力產(chǎn)生的電荷信號，采用高阻抗電荷放大器轉(zhuǎn)換放大成電壓信號后進行處理，因此必須解決電荷信號在噪聲環(huán)境中的抗噪問題，這是壓電式鉆削測力儀的關鍵技術難點，導致測力儀結(jié)構(gòu)復雜，工藝要求、調(diào)試難度和研制成本都較高[8]。

針對上述問題，避開壓電信號處理的繁瑣過程，本文設計出一種設備結(jié)構(gòu)和裝配工藝簡單、成本較低的電阻應變式鉆削測力儀。該測力儀將電阻應變式傳感器和嵌入式技術相結(jié)合，能實時測量鉆削力的軸向、切向及兩個正交徑向分量。

1 鉆削測力儀的測量原理及構(gòu)造

1.1 鉆削測力儀系統(tǒng)架構(gòu)設計

測力儀主要由測力機械機構(gòu)、信號處理模塊以及計算機組成，如圖1所示，其中信號處理模塊又包括放大器、低通濾波器和內(nèi)嵌ADC的微控制器(MCU)。鉆削加工時，力傳感器將鉆削力轉(zhuǎn)換為模擬電信號，由放大器放大至ADC適當?shù)臋z測范圍內(nèi)，再通過濾波器濾除高頻噪聲，最終在微處理器中使用ADC將模擬信號量化后，通過串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C進行分析處理。

圖1 鉆削測力儀整體框圖

1.2 測力儀的鉆削力測量原理

鉆削測力儀能檢測鉆削軸向力Fz、切向力Ft以及徑向力Fr。測力原理如圖2所示，鉆削測力儀的夾持平臺正下方設置軸向傳感器，用于測量鉆削軸向力Fz；在夾持平臺邊緣設置切向傳感器，可隨夾持平臺轉(zhuǎn)動，用于測量鉆削切向力Ft；夾持工件的鉗塊內(nèi)設置徑向傳感器，用于測量鉆削徑向力Fr。

圖2 測力儀測力示意圖

測力儀是通過測量鉆削扭矩間接測量鉆削切向力，而鉆削扭矩可采用力矩法測量。切向傳感器安裝于夾持平臺的邊緣，傳感器軸線與其運動軌跡圓相切，傳感器凸臺頂部垂直于運動軌跡圓的半徑R。圖3中，F(xiàn)為切向傳感器所測的力，R為運動軌跡圓的半徑，F(xiàn)t為鉆頭鉆削切向力，d為鉆頭的直徑。由圖3可知：

(1)

(2)

從式(2)中可以看出，由于R是確定值，只要讀出力傳感器所檢測到力的大小，即可根據(jù)鉆頭直徑計算出鉆頭鉆削時的切向力。

圖3 鉆削力測量示意圖

鉆削徑向力通過2個軸線垂直的傳感器檢測，如圖2所示，2個傳感器的軸線在同一平面內(nèi)，且軸線交點是夾持平臺的圓心，兩條軸心線呈90°，傳感器的壓力敏感區(qū)與工件側(cè)面接觸。徑向力傳感器安裝于鉗塊內(nèi)，可隨鉗塊沿著平行于其軸線的軌道運動，因此可將鉆削徑向力分解為兩個正交分力Fx和Fy，如圖4所示，測出Fx和Fy即可合成鉆削徑向力Fr。

圖4 徑向力分解示意圖

1.3 測力儀的結(jié)構(gòu)設計

圖5為鉆削測力儀的機械結(jié)構(gòu)圖。鉆削測力儀主要由圓形支撐座、軸向傳感器、支撐圓盤、軸承和夾持平臺組成。圓形支撐座呈圓柱體結(jié)構(gòu)，其上沿著圓心均勻固定分布4塊弧形擋板，4塊弧形擋板構(gòu)成一個柱形空間。

圖5 鉆削測力儀的結(jié)構(gòu)圖

軸向傳感器設置于圓形支撐座的中心位置，支撐圓盤固定在軸向傳感器上，支撐圓盤上面采用螺栓固定設置有軸承，軸承固定設置有夾持平臺，夾持平臺能夠相對于支撐圓盤轉(zhuǎn)動，軸向傳感器的軸線與支撐圓盤的軸線、軸承的軸線、夾持平臺的軸線重合。

如圖6所示，夾持平臺整體呈圓柱體結(jié)構(gòu)，其內(nèi)開設有方形槽。方形槽內(nèi)設置有十字軌道，工件放置于十字軌道上且處于方形槽中心位置，在軌道上運動的4個鉗塊用于夾緊工件，其中2個鉗塊內(nèi)嵌有力傳感器，這2個鉗塊由絲桿推動，另外沒有力傳感器的鉗塊由彈簧推動。鉗塊內(nèi)力傳感器的軸線穿過夾持平臺的圓心。

圖6 夾持平臺結(jié)構(gòu)圖

于是，工件被固定在夾持平臺上，形成一個整體。當鉆頭的切削作用力對工件作用時，工件有轉(zhuǎn)動的趨勢，從而帶動夾持平臺有轉(zhuǎn)動的趨勢。夾持平臺的外側(cè)邊沿設置有切向傳感器，切向傳感器與弧形擋板作用即可得出鉆削切向力。

1.4 力傳感器信號處理

測力儀采用電阻應變片傳感器檢測鉆削力，電阻應變片的工作原理是基于電阻應變效應，即導體或半導體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機械變形時，其電阻值相應發(fā)生變化。測力儀采用的傳感器其內(nèi)部是單臂橋電路，如圖7所示，其中一個橋臂是應變片。傳感器受到外部作用力時，內(nèi)部應變片由于形變導致阻值變化，從而引起電橋輸出電壓改變。

圖7 信號處理電路原理圖

圖7中，D、B端加入激勵電壓，在A、C端測量輸出信號電壓值。電橋設計為R1=R2=R3=R4=R，稱之為等臂橋，根據(jù)圖7可知：

(3)

式中UAC為電橋的輸出電壓。

由式(3)可知，當激勵電壓Ui為恒定值時，電橋的輸出信號UAC與應變片電阻的變化量呈正比。

由于傳感器在受力時產(chǎn)生的機械形變微小，所以A、C端輸出信號電壓值很小，為0.01 mV量級，不能直接進行A/D轉(zhuǎn)換，需要經(jīng)過放大器放大到A/D轉(zhuǎn)換器要求的幅度。本文使用AD623作為測量放大器，信號處理電路原理圖如圖7所示。其輸入輸出表達式為

(4)

式中：Uo為信號處理電路的輸出信號；RK為100 kΩ的定值電阻；RG為增益電阻。

調(diào)節(jié)RG阻值大小可以改變AD623的放大倍數(shù)。調(diào)節(jié)RG在合適的阻值，使AD623輸出電壓在0～3.3 V之間，使其處于A/D轉(zhuǎn)換器適當?shù)妮斎腚妷悍秶?。系統(tǒng)以OP07為核心構(gòu)成二階低通濾波器，濾除信號中的高頻干擾。

2 鉆削測力儀參數(shù)標定

鉆削測力儀輸出的是電壓值，需要線性映射到鉆削力數(shù)值，因此需要對測力儀所測量的軸向力、徑向力和扭矩進行標定。靜態(tài)標定采用階梯加載法，標定時應確保測力儀水平放置在標定臺上，力軸方向與力傳感器受力方向嚴格一致，保證測量放大器AD623的放大倍數(shù)在合適范圍內(nèi)。

2.1 軸向力的標定

軸向力的標定過程中，首先滿量程載荷3次，調(diào)節(jié)儀表放大器AD623的增益，然后用一組砝碼依次測試其對應的輸出。軸向力量程設定為0～500 N，標定時依次加載力20～500 N的9個標定點，得到如表1所示的標定數(shù)據(jù)，擬合曲線如圖8所示。

圖8 軸向力標定數(shù)據(jù)擬合曲線

2.2 扭矩的標定

采用力矩法對測力儀進行扭矩標定，選擇力臂為100 mm，依次加載力：10、20、30、40、50、100、150、200、

表1 軸向力標定數(shù)據(jù)

250 N，得到扭矩為：1、2、3、4、5、10、15、20、25 Nm，標定結(jié)果及擬合曲線分別如表2和圖9所示。

表2 扭矩標定數(shù)據(jù)

圖9 扭矩標定數(shù)據(jù)擬合曲線

2.3 徑向力的標定

測量徑向力由2個正交的傳感器完成，雖然2個傳感器型號都一樣，但是由于傳感器自身以及調(diào)理放大電路的差異，仍需要分別標定，標定結(jié)果如表3、表4和圖10、圖11所示。

表3 徑向力a標定數(shù)據(jù)

圖10 徑向力a標定數(shù)據(jù)擬合曲線

表4 徑向力b標定數(shù)據(jù)

圖11 徑向力b標定數(shù)據(jù)擬合曲線

標定數(shù)據(jù)表明，軸向力、扭矩以及徑向力與對應的ADC數(shù)字量成線性關系，標定數(shù)據(jù)擬合曲線的擬合度R2都為0.999 9以上，且非線性誤差和不重復度誤差均小于1%，符合實際檢測需要。

3 實驗

標定工作完成后，采用直徑為6.5 mm的高速鋼鉆頭，對厚度為40 mm的碳鋼(50#鋼)試件進行加工，對鉆削過程中的鉆削力信號進行實時記錄，并對數(shù)據(jù)進行處理和顯示。

采用分級給進方式在厚度為40 mm的碳鋼試件上打孔，測力儀實時記錄鉆頭鉆削過程中所產(chǎn)生的軸向力、切向力、徑向力，其實時采集系統(tǒng)采樣頻率為12 kHz，圖12、圖13記錄的是打單個孔時3個力幅值的變化情況，其中圖12中的徑向力為2個正交分力的合力數(shù)值，圖13記錄的是2個正交徑向分力的空間合成效果。

圖12 鉆削過程鉆削力數(shù)值曲線

圖13 鉆削過程徑向力空間示意圖

從圖12中可以看出，軸向力與切向力有著高度的相關性，軸向力對切向力的影響很大。從圖12、圖13可以看出，鉆削過程中，徑向力的大小和方向都在不斷變化，這是鉆削排屑過程中切屑與孔壁相擠壓而造成的。

4 結(jié)論

本文為實現(xiàn)微小深孔鉆削力的實時監(jiān)測而研制了一種電阻應變式鉆削測力儀，可以在線測量鉆頭的軸向力、切向力和徑向力。本文介紹了測力儀工作原理、結(jié)構(gòu)設計和信號處理方法，鉆削力靜態(tài)標定實驗中，標定數(shù)據(jù)的曲線擬合度均為0.999以上，且非線性誤差和不重復度誤差均小于1%；動態(tài)鉆削測試實驗結(jié)果表明，該測力儀能實時準確檢測各個鉆削力的變化，滿足實際工程需求。