毕业设计（论文）-基于加工中心机床切削力信号在线监测设计.docx

1前言1.1选题背景与意义1.1.1国内外研究现状随着计算机技术、电工电子技术、数控技术等各种技术的发展，制造技术正朝着 精密化、集成化、网络化、全球化、虚拟化、智能化的方向发展由于现代削加工过 程正在向高速切削、强力切削、精密以及超精密加工方向发展以及数控机床、加工中 心等先进设备的广泛应用，因此迫切需要新型、可靠、实用的切削过程监测系统 加工过程中切削力的测量系统就应该满足以下要求：①实吋性好，能够对切削力进行 实时测量；②测量范围大、高精度以及高分辨率；③能够对复杂多变的切削力信 号进行各种处理与分析刀具磨损是引起加工误差的主要原因之一，尤其是在自动化生产的精密加工中， 刀具磨损产生的加工误差是不容忽视的问题一直以来，国内外的专家和学者大都通 过检测刀具的磨损状态來采取相应的措施（误差补偿、更换刀具等）來减少和避 免由于刀具磨损产生的加工误差⑵华东交通大学的郭厚焜等人就针对铳削加工过程中刀具磨损的状态进行了研究 和分析，提出了以后刀而磨损作为主要参数的加工误差计算方法图1.1后刀面磨损图1.1是铳削过程中后刀面的磨损情况通过对铳削过程中刀具的磨损情况分析 得出对于以主切削刃承担主要切削任务的铳削加T,后刀面的磨损是导致加工误差的 主要因索。

最终，其通过一系列的分析、实验得出了后刀面磨损与加工误差的数学关 系式因此，可以通过此结论来确定何吋换刀，从而提高生产质量近几年來，很多学者研究利用神经网络来对端面铳削时刀具磨损进行实时监 测即采用网络技术来识别刀具磨损状况，将切削力和进给速度等其他己知的参数的 平均值输入到网络中，通过一系列的研究和分析得出这些参数与刀具磨损情况的关 系随着切削加工技术的发展，切削力的测量技术将朝着以下几方面进行发展：（1） 应用微电子和集成电路技术，使数据采集系统集成化，提高数据采集的速 度与精度；（2） 开发新型弹性元件优化弹性元件的结构和应变片的布片方案，提高应变 式测力仪的固有频率，有效解决应变式测力仪的刚度和灵敏度之间的矛盾问题，降低 各向力Z间的耦合程度；（3） 完善数据分析处理的功能，例如将虚拟仪器技术引入切削力测试系统，以 便对测量数据进行多种操作和数据库处理；建立专家系统，通过对测试数据进行分析 和处理，从而对刀具磨损、切削颤振等情况做出预报并提出相应的治理措施区1.1.2选题目的及意义在机械加工过程中，为了使加工更好地完成，对加工过程进行监测和实时控 制是很有必要的，这就要求监控系统具有很好的实吋性，能对变化做出快速的反应。

刀具作为切削过程的直接执行者，在切削加工过程中不可避免地存在磨损和破损 等现象如果不对磨钝的刀具采取措施，将可能导致工件的报废,甚至有可能损坏机 床在传统的机械加工过程中，可以通过辨别切屑及加工过程中的噪声来判断刀具的 磨损、破损状态但是，随着自动化程度的口益提高，由人工判别刀具状态已经成为阻 碍加工自动化发展的主要因素因此对机床切削力信号的监测系统的研究更加有 深远的意义，它将会为制造业揭开崭新的一页1.2设计内容121设计内容研究本课题是研究利用计算机采集数据和信息，对加工过程中刀具受力实现实时 监测本课题是以加工中心机床切削力状态检测系统为基础，它主要包括切削力 信号的采集、实吋监控和后续处理与分析信号采集是利用压电式传感器测得信号并 送入计算机，通过对信号进行实吋采集并动态显示信号，从而监控整个加工过程信 号处理是将采集来的信号进行后续处理与分析，它色括-显示、滤波、和关分析、谱分 析等，通过对信号进行吋域和频域分析，可以得出信号的特征本课题的主要工作： 一是从整体对系统进行分析，设计出方案;二是根据具休的对象，对监测系统进行构 建，并使它有一定的通用性;三是对系统进行测试，并进行分析。

具体的工作是：1. 从整体上对监测系统进行分析，了解每个部分的组成及功能2. 对加工中心切削力信号监测系统进行硬件设计，介绍各控制部分和测量部分的 原理和应用，并对其硬件部件进行选择定型3. 了解压电式测力仪的工作原理，信号的采集原理和方法；了解数据采集板的构成, 熟悉信号转换的原理4•了解系统功能，完成软件设计1) 切削力信号的采集——利用现有的台湾研华公司的MP-04A视频采集卡作为数据 采集板，对信号进行采集和转换，计算机接口软件实现了采集、显示和存储的功能, 具有实吋、快速的特点；(2) 切削力信号的处理与分析——将采集的数据进行显示、滤波、相关分析、谱分析 等，在时域和频域同吋分析信号，以便进行监控3) 调试程序并与实际结合在不同的切削用量或切削条件下对系统进行调试，以便 体统能够精确的对数据进行采集、处理和分析5.系统的整体测试及实验首先，对软件系统本身做标定和检测，其次，对压电测力 仪进行静态标定后，然后联机成为切削力实验系统，监测采集的切削力信号，从血得 到实际的验证6•系统的完善经过多次实验对硬件和软件系统进行运行、校验，观察其运行效果并 对其不足之处进行改进1.2.2研究结果预期通过对本课题的研究设计，能够实现加工中心机床切削力信号的实时监测， 该系统利用压电测力仪测得信号，而后进行放大、补偿、A/D转换，再利用计算机进 行采集、处理和分析。

与传统的机械加工过程中人工判别刀具状态相比，该监测 系统通过对切削力信号进行实吋监测从而能够非常精确的判别刀具状态因此能 够提高生产质量、生产效率以及机械生产加工的自动化程度2系统的设计2.1系统的工作原理本课题的主要研究Fl的是对切削力信号进行采集，并进行后续的数据处理与分 析，为机床加工过程中刀具的磨损情况以及何吋换刀提供一定的理论依据由于该系 统的监测对象是加工过程中机床的切削力信号，因此系统必须对其进行实吋监 测为了使该系统可以在各种数控机床上安全运行，故系统的整体示意图如图2」所 示：压电式传感器斗电荷放大器亠数据采集板t计算机（内有数据处理软石图2.1系统整体示意图系统的实体外观如图2. 2所示:图2.2系统实体外观图本文中切削力信号的采集是利用压电式传感器测得信号并通过电荷放大器将微 弱的电荷信号放大成电压信号，然后通过数据采集板将模拟信号转换成数字信号，最 后将信号输入计算机，在计算机上利用软件DEWESoft对信号进行实时采集并动态显 示，从而可以监测整个加工过程经过对信号进行时域和频域分析，从而得出信号特 征，最后获得正确的动态切削力信号由系统的示意图可以很容易的看出该监测系统的工作原理：压电式传感器将难以 直观表达的物理信号转换成易于测量的模拟信号。

此时得到的模拟信号是非常微弱的 屯荷信号，由于信号的强度仍不能使计算机对其进行处理，因此就将采集到的模拟信 号进行放大、滤波等处理然后将处理过的信号进行A/D转换后输入到计算机，最后 计算机通过软件对信号进行监测、控制和分析通过一系列的实验验证与调试，最终 可实现通过对切削力信号的监测实吋判别刀具状态以及刀具磨损情况2.2系统部件的选取2.2.1传感器的选用随着测试、控制与信息技术的发展，传感器作为这些领域里的一个重要构成因素 受到了普遍重视传感器作为测试与控制的首要环节，能把被测物理量直接转换为和 其有确定对应关系模拟信号，以满足对信息的传输、记录、显示、分析、处理以及控 制等要求［\ -K性能直接影响整个监测系统，对测量精度至关重要因此，该系统的 传感器的选择就非常重要传感器的选用原则有：(1) 灵敏度：一般来说，传感器的灵敏度越高越好，因为若灵敏度越高，就意 味着传感器所能感知变化量就会越小但半灵敏度过高又很容易受其他信号的干扰 因此，往往要求传感器的信噪比越大越好，既要求传感器的本身噪声小，且不易从外 界引入干扰2) 响应特性：传感器的响应特性必须满足不失真的测量条件且响应时间越短 越好。

3) 线性范I韦I：线性范围越宽，就表明传感器的工作量程越大传感器工作在 线性区域内，是保证测量精度的基本条件4) 可靠性：为了保证传感器在应用中具有高的可靠性，必须选用设计、制造 良好，使用条件适宜的传感器5) 精确度：传感器的精度表示传感器的输出与被测量真值一致的程度6) 测量方法：传感器在实际条件下的工作方式，工作方式不同对传感器的要 求就不同⑸传感器有多种类型，作者根据传感器的选用原则综合考虑了各种传感器的优点以 及实验条件，在该系统中选用压电式传感器它是一种可逆性换能器，既可以将机械 能转换成电能，又可以将电能转换成机械能这种性能使它广泛用于压力、应力加速 度测量，也被用于超声波发射与接收装置y x + + + + + + + + + +图2.3压电效应原理图压电式传感器是利用压电效应来进行测量的某些介电物质，在沿一•定方向对其 施加压力或拉力使它变形后，在它的表面上就会产生电荷，而当外力去掉时，其乂回 到不带的电状态，这种现彖就称为压电效应低如图2.3所示，当在X方向丄对压电 晶体施加一压力Fx吋，在垂直于X轴的晶体表面上产生电荷Qo电荷Q的大小可表示 为：Q = (2.1)式中d为X轴方向受圧时的圧电系数，它能够表征圧电材料的性能，但是同一材料 在不同的受力和变形方式下其值也不同。

反过来，如果在压电晶体上垂直于X轴平面上加上电场，会使晶片产生机械变 形；如果加交流电压，则切片沿电极方向有伸缩而产生机械振动，这种现象就称为“逆 电床效应”或“电致伸缩效应” r71o压屯式传感器的传感元件是压屯材料，压电材料有丿玉电单晶、压电陶瓷和有机压 电薄膜等床电传感器的工作原理就是利用这些床电材料的床电效应如图2. 4所示, 当对压屯材料施加一压力吋，其就会将机械能转换为电能，当将其置于电场中，斥电 材料就会产生机械振动，即将电能转化为机械能⑻正压电效应机械能~ 弓电能< 逆压电效应图2.4压电效应在口然界中大多数晶体都具有压电效应，但压电效应十分微弱随着对材料的深 入研究，发现石英晶体、钛酸顿、错钛酸铅等材料是性能优良的压屯材料石英晶体 的突出优点是具有较好的机械强度和吋间、温度稳定性与其它传感器相比，石英力 传感器具有动态特性好、静态特性好、使用性能好、稳定性好等优点而且石英晶体 的输出具有较大的线性范围与较好的响应特性等特点由于切削力是动态的信号， 所以在本系统中我们选用石英晶体作为敏感元件最后通过对多种石英压电式传感器性能进行比较，作者最终选用了实验室现有的 奇石乐公司的Kistler9257B型测力仪。

该测力仪在受到外力作用后，其内部的四组压 电传感器将会产生8组力信号，这8个力信号将分别以8个通道进入电荷放大器该 测力仪的特点如下：（1） 刚性好，高固有频率；（2） 测量范围宽;（3） 线性度高且范围宽，较小的滞后性；（4） 各通道间的干扰很小；（5） 操作简单：按一个按钮（复位键）——测量；（6） 结构简单，寿命长；Kistler9257B型测力仪的实体外观如下图所示：图2.5 Kistler9257B型测力仪图2.6测力仪受力时传感器产生力矩示意图如图2. 6所示，当测力仪受到外力作用吋，其内部四组压电传感器就会产生8 组（X方向的X|和X2, Y方向的Y］和Y2,Z方向的乙、Z2、Zg、乙）切削力信号 由此我们可以依据公式得岀X、Y、Z向的合力与力矩：Fr=Fyi+FY2F z 二F zi +F Z2 +F Z3 +F Z4M x =b X (FZI+FZ2-FZ3-FZ4 ) M r =a X (- F ZI+F Z2 +F Z3 -F Z4 )Mz=bX (-FXI+FX2) 4。