切削力測量技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢分析論文

時間：2024-07-13 11:43:58 其他類論文我要投稿

　　摘要：分析了目前切削力測量技術(shù)的現(xiàn)狀及存在問題，根據(jù)現(xiàn)代切削加工高速、高精度和強力切削的特點，提出了切削力測量技術(shù)新的要求及發(fā)展趨勢。

切削力測量技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢分析論文

　　關(guān)鍵詞：切削力；測量技術(shù)；現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢

　　1 切削力測量技術(shù)現(xiàn)狀分析

　　切削力測量系統(tǒng)一般由三部分構(gòu)成：由測力儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和PC機三部分組成，如圖1所示。測力儀（測力傳感器）通常安裝在刀架（車削）或機床工作臺上（銑削），負責拾取切削力信號，將力信號轉(zhuǎn)換為弱電信號；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對此弱電信號進行調(diào)理和采集，使其變?yōu)榭捎玫臄?shù)字信號；PC機通過一定的軟件平臺，將切削力信號顯示出來，并對其進行數(shù)據(jù)處理和分析。

　　1.1 切削測力儀

　　1.1.1 應變式測力儀

　　應變式測力儀由彈性元件、電阻應變片及相應的測量轉(zhuǎn)換電路組成，其工作原理如圖2所示。把電阻應變片貼在彈性元件表面，并連接成某種形式的電橋電路，當彈性元件受到力的作用而產(chǎn)生變形時，電阻應變片便隨之產(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，通過標定建立輸出電壓與力之間的關(guān)系。使用時根據(jù)輸出電壓反算切削力的大小。

　　應變式測力具有靈活性大、適應性廣、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，而且配套儀表（如靜態(tài)應變儀、動態(tài)應變儀等已標準化，因而得到廣泛應用。但是其測量原理決定了測量精度和動態(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，是提高應變式測力儀測量精度和動態(tài)特性的關(guān)鍵。 1.1.2 壓電式測力儀

　　壓電式測力儀是以壓電晶體為力傳感元件的切削測力儀，當石英晶體在外力作用下發(fā)生變形時，在它的某些表面上出現(xiàn)異號極化電荷。這種沒有電場的作用、只是由于應變或應力在晶體內(nèi)產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象稱為壓電效應。通過測量產(chǎn)生電荷量即可以達到測量切削力的目的。

　　從動態(tài)測力的觀點出發(fā)，壓電式測力儀是一種比較理想的測力傳感器，具有靈敏度高、受力變形小等優(yōu)點。然而壓電式測力傳感器仍然存在一系列缺點：如由于電荷泄漏而不能測試靜態(tài)力、固有頻率的提高受裝配接觸剛度的限制、維護極不方便、價格昂貴，因此在使用上受到很大的限制。

　　1.1.3 電流式測力儀

　　直接使用測力儀測量切削力有其局限性：①安裝測力儀時，工藝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)遭到破壞從而導致其剛度發(fā)生變化，采集不到精確的切削力力信號；②測力儀的安裝、調(diào)試技術(shù)復雜；③測試設(shè)備花費較高；④測力儀測試系統(tǒng)可靠性較低。

　　文獻［4］提供了一種間接測量切削力的方法，即電流式測力儀，其測量原理是：切削力的變化會引起主軸電機電流的變化，通過測量主軸電機電流來估計切削力的大小。因機床主軸電機電流的測量比較容易和簡單，所以這是一種經(jīng)濟而又簡便的方法。

　　電流式測力儀的局限性體現(xiàn)在兩個方面：①把主傳動系統(tǒng)的運動學模型看作是一個線性模型，所以加工過程中的非線性因素會在一定程度上降低測量精度；②當切削力發(fā)生變化時，相應的主軸電流信號有一定的滯后現(xiàn)象，無法滿足對切削力進行實時監(jiān)測的較高要求。

　　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，對測力儀的輸出信號進行放大、濾波等處理后，將其進行A/D轉(zhuǎn)換，變?yōu)橛嬎銠C的可用信號，再通過接口電路與PC機進行數(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，測量精度和實時性也漸漸滿足不了現(xiàn)代測力系統(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。隨著計算機技術(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算機終端所代替，顯示功能更加豐富和強大，但軟件的功能僅局限于數(shù)據(jù)擬合、圖表顯示和輸出等，對測力儀各向力之間的耦合沒有進行有效的處理，從一定程度上影響了測力精度。

　　2 切削力測量技術(shù)的發(fā)展趨勢

　　現(xiàn)代切削加工正在向高速強力切削、精密超精密加工方向發(fā)展，機床的振動頻率也會遠遠高于系統(tǒng)的固有頻率，這對切削力測量系統(tǒng)提出了新的要求：①測量范圍大、高精度和高分辨率；②實時性好，能夠在線實時測量；③數(shù)據(jù)處理和分析能力強，能夠?qū)碗s多變的切削力信號進行各種處理和分析。

　　針對這些方面的要求，切削力測量技術(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)及應變片布片方案，提高應變式測力儀固有頻率，有效解決應變式測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，例如通過解耦運算進一步減小測力儀各向力之間的耦合程度，以提高測量精度；將虛擬儀器技術(shù)引入切削力測試系統(tǒng)，以便對測量數(shù)據(jù)進行多種操作和數(shù)據(jù)庫管理；建立專家系統(tǒng)，通過對測試數(shù)據(jù)的分析處理，對刀具磨損、切削顫振等情況做出預報并提出相應的治理措施。

　　參考文獻

　　［1］@羅學科. 動態(tài)多維力傳感器的理論研究與實踐［D］.北京航空航天大學博士論文,1995.1.

　�。�2］@姜術(shù)君. 采用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建測力系統(tǒng)的研究［D］.北京航空航天大學碩士學位論文,2004.3.

　�。�3］@楊兆建，王勤賢. 測力傳感器研究發(fā)展綜述［J］.山西機械，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］.測控技術(shù)，2000，（9）.

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