（机械制造及其自动化专业论文）旋转式动态铣削测力仪关键技术的研究.pdf

摘要 摘要 随着切削加工向着高速、高精度和高度自动化方向发展，对切削过程的监 控技术的要求也越来越高，而大多数的自动化机械加工设备与制造系统并不具 备对加工过程的监控功能。为了使这些自动化程度很高的加工设备能够充分发 挥其优良性能，确保n t _ 质量，对刀具在加工过程中的状态监测和控制就尤为 重要了。一 旋转式动态铣削测力仪以测量切削力和切削振动为基础，实现对铣刀破损 和磨损情况的监测。切削力信号反应刀具的破损情况，本文的主要研究内容就 是针对铣刀切削力监测所做的前期工作，即如何实时采集铣刀的切削力，具体工 作如下： 首先，设计系统的总体方案。由于旋转式动态铣削测力仪分为发射端和接 收端，因此系统总体方案也必须按照发射端和接收端两部分进行设计。因为发 射端和铣刀装夹在一起，在切削过程中随着铣刀旋转，所以不能使用传统的有 线传输的方式，而必须借助于无线通信方式传输信号。发射端先将经过放大和 滤波后的切削力信号通过a d 采集转换成数字信号之后，再通过无线的方式传输 至接收端；接收端将该信号通过串口传输给计算机。本系统使用f p g a 做为系统 的c p u ，负责控制专业的a d 采集和无线射频j 卷片实现各自的功能。 其次，设计系统的硬件电路，并且通过软件编程实现系统的所有功能。在 确定了系统的总体方案的基础上设计系统的硬件电路，然后以o u a r t u si i 软件 为开发平台、使用v h d l 语言对f p g a 编程。在功能上将系统划分成f p g a 控制模 块、a d 采集模块、无线数据收发模块和串口传输模块。编程工作主要是利用f p g a 实现各个模块的功能。 然后，将系统和旋转式动态铣削测力仪的感应电源、放大电路两部分连接 起来，做切削力实验。本文设计了该测力仪的摔制系统，在实验中验证了系统 工作的正确性，结果表明系统的采集频率达到了6 6 0 h z 以上，实现了切削力的 实时采集。 最后，分析需要进一步完善的工作。 关键词：旋转铣削测力仪，刀具破损，切削力，实时采集，f p g a ，控制 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ec u t t i n gp r o c e s sh a sd e v e l o p e dt o w a r d sah i g hs p e e d ，h i g hp r e c i s i o na n d a u t o m a t i o n ，t h er e q u i r e m e n to ft h et e c h n o l o g yo fm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gi n c u t t i n gp r o c e s si sh i g h e rt h a ne v e rb e f o r e b u tm o s to ft h ea u t o m a t i cm a c h i n ea n d m a n u f a c t u r es y s t e md o n tp o s s e s st h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gf u n c t i o n i no r d e r t o t a k ea d v a n t a g eo ft h eh i g ha u t o m a t i cm a c h i n e se x c e l l e n tp e r f o r m a n c ea n dm a k es u r e o ft h ep r o c e s sq u a l i t y , t h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n go ft h et o o li np r o c e s si s p a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t t h er e v o l v i n gd y n a m i cf o r c et e s tm a c h i n ei sb a s e do nm e a s u r i n gc u t t i n gf o r c e a n dv a b r a s i o nt or e a l i z et h em o n i t o r i n go fm i l l i n gc u t t e r sa b r a s i o na n dd i s r e p a i r c u t t i n gf o r c ec a nr e f l e c tt h ed i s r e p a i ro ft 0 0 1 t h ep a p e rp r i m a r i l ya i m sa th o w t o a c h i e v et h ec u t t i n gf o r c e sr e a lt i m ea c q u i s i t i o no fm i l l i n gc u t t e r , w h i c hi sp r i o r p e r i o dw o r ko fm o n i t o r i n gm i l l i n gc u u t e r s p e c i f i c a l l y , t h ew o r k i sa sf o l l o w s ： f i r s to fa l l ，d e s i g nt h ep l a no ft h es y s t e m t h er e v o l v i n gd y n a m i cf o r c et e s t m a c h i n ei sd i v i d e di n t os e n d i n gp a r ta n dr e c e i v i n gp a r t ，s ot h es y s t e m sp l a ns h o u l d b ed e s i g n e da c c o r d i n gt ot h et w op a r t s b e c a u s et h es e n d i n gp a r ti sf i x e dw i t hm i l l i n g c u t t e ra n dr e v o l v i n gw i t hi td u r i n gt h ep r o c e s s ，t h er e v o l v i n gd y n a m i cf o r c et e s t m a c h i n em u s tr e s o r tt ow i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni n s t e a do ft r a d i t i o n a lc o m m u n i c a t i o n w a yw i t hc a b l e t h ec u t t i n g f o r c es i g n a li se n h a n c e da n df l i t t e r e db e f o r eb e i n g c o n v e r t e di n t od i g i t a ls i g n a l ，a n dt h e ni st r a n s m i t t e di ns e n d i n gp a r t a n dr e c e i v i n g p a r ts e n d st h es i g n a lt oc o m p u t e rt h r o u g hr s 一2 3 2 c f p g a i st h ec p uo ft h es y s t e m ， c o n t r o l l i n gt h ep r o f e s s i o n a lc m o sc h i p s t of u l f i l la dc o n v e r s i o na n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nw o r k s e c o n d l y ，d e s i g n i n gt h es y s t e m s p c ba n dr e a l i z i n ga l lt h ef u n c t i o n sb y p r o g r a m m i n g t h es o f t w a r ed e s i g ni s b a s e do nq u a r t u si i ，u s i n gv h d lt om a k e e v e r ym o d u l ew o r kn o r m a l l y t h es y s t e mi ss e p a r a t e di n t of p g a c o n t r o lm o d u l e ，a d c o n v e r s i o nm o d u l e ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dr s 2 3 2 cc o m m u n i c a t i o n m o d u l e t h et a s ko fp r o g r a m m i n gi st ou s ef p g at om a n i p u l a t ee v e r ym o d u l e l l a b s t r a c t r e a l i z i n gt h e i rf u n c t i o n s t h e n ，c o m b i n e 谢t hi n d u c t i o np o w e rs u p p l ya n de n h a n c i n gc i r c u i tp a r t so ft h e m a c h i n ed ot h ec u t t i n gf o r c ee x p e r i m e n t t h ep a p e rh a sd e s i g n e dt h em a c h i n e s c o n t r o l l i n gs y s t e m t h ea c c u r a c yo ft h es y s t e mi s t e s t e da n dv e r i f i e di nt h e e x p e r i m e n t ，a n dt h er e s u l ts h o w st h a tt h ea c q u i s i t i o nf r e q u e n c yi so v e r6 6 0 h z ，w h i c h m e a n st h es y s t e mc a na c q u i r et h ec u t t i n gf o r c es i g n a li nr e a lt i m e l a s t , a n a l y s et h ef u r t h e rw o r kw h i c hn e e d st ob ei m p r o v e d k e yw o r d s ：r e v o v i n gd y n a m i cf o r c et e s tm a c h i n e ，d i s r e p a i ro ft o o l ，c u t t i n gf o r c e ，r e a l t i m ea c q u i s i t i o n ，f p g a ，c o n t r o l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版：在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月曰 第l 章绪论 1 1 课题的研究意义 第1 章绪论 安全可靠的现代机械加工自动化生产要求对切削过程和刀具状态进行实时 监测，这样可及时识别由于刀具磨损或断裂而导致的切削条件恶化，以防止损 坏工件或加工设创。在切削过程中，切削力是刀具状态监测的重要参数【”。因 为它不仅是描述切削过程的基本参数，而且也是设计和使用机床、夹具、刀具、 制定工艺规程以及评定切削加工性不可缺少的数据。因此，如何精确的测得实 际切削力，越来越成为人们所关注的课题了【3 】【4 】。 切削力的测试不仅对于研究切削原理、设计机床、夹具以及评价先进刀具具 有重要意义，而且随着切削动力学的深入研究和加工过程的适应控制与在线监 测等都需要准确的知道切削力【5 】。同时由于在现代机械加工过程中，机床的实时 控制已经占有相当重要的地位，实时测量和监测切削力的变化可作为自动机床 判别刀具和摔制表面光洁度水平的手段，对于已测得的动态切削力，经过时序 分析或其它数据处理于段，减小机床振动和噪声，改善加工质量，建立切削力 经验公式，选择最佳切削参数都有很大的帮助。而且切削力测试对于基础切削 理论的研究也十分重要，尤其对一些模型的建立和验证很有必要。还可以建立 起切削力动态数据系统，用来分析加工质量，刀具磨损、破损，计算动态切削 面积，建立切削力经验公式，选择最佳切削参数以及合理的刀具材料f 6 】【7 1 。 1 2 国际国内研究现状 1 2 1 切削力的测试方法 大量的研究证明【8 】【9 】【1 0 1 ，在切削过程中，切削力、切削力矩、切削分力的比 值或比值的变化率与刀具的磨损或破损有直接的内在联系，一般认为切削力随 刀具磨损的增加而增加，而对于刀具的破损有两种不同的观点i j l 2 l ：( 1 ) 当刀 具破损时，挤存刀具和工件之间的断裂碎片会导致切削力的增加，而后切削力 第1 章绪论 又随碎片的脱落减为零；( 2 ) 圆周切削力和进给力对刀具破损都很敏感，而只有 圆周切削力表现出下降的特性，由于刀具破损引起的圆周切削力的下降量和沿 刀刃的破损长度成正比，而进给力则随刀具的磨损程度和形式小同而时增时减。 因此通过测试切削力可以间接实现对刀具破损情况的监测。 从切削力的测试原理看，常用的测力仪可分为应变式测力仪和压电晶体式 测力仪这两种。 压电石英力传感器就是以石英晶体为力电转换元件的一种新型的静、 动态型变换器。以压电石英为力敏原件的切削测力仪，远在第二次世界大战前 就出现了，由于没有很好的解决静电荷的泄露问题，只能测量动态力和准静态 力，缺乏广泛的使用价值【l3 1 。从1 8 8 0 年居里兄弟( p i e r r ec u r ea n dj a c q u e sc u r e ) 发现石英晶体压电效应开始，迄今已有1 2 0 年历史。在这1 2 0 年里，已经逐渐 形成压电测试技术学科。1 9 6 3 年德国阿亨工业大学首先研制成功采用三向压电 石英力传感器的三向车削测力仪，此后瑞士苏黎士联邦工业大学与瑞士k i s t l e r 公司写作研发出切削测力仪的系列产品【l4 1 ，很快就畅销世界各地。利用压电正 逆效应做成的传感器与执行器进行测试与摔制是现代测控技术的重要手段与发 展方向之一。 与其它类型传感器相比，石英力传感器具有如下特点： 1 静态特性好 ( 1 ) 静态刚性好，石英的弹性系数e = 8 0 0 0 0 n m m 2 ，通常晶片厚度只有 l m m 左右，所以整个传感器和实心铸铁块刚性相当，如将其支承在测力仪的变 形元件上，便可提高测力仪装置的刚性和固有频率。 ( 2 ) 灵敏度高、分辨率高，由于压电力传感器属于无位移型传感器，理 论上电荷量只与应力有关，而与位移无关，因此可以大大提高测最系统的刚性， 而灵敏度损失较小，从而获得了较为理想的刚度高、灵敏度亦高的传感元件。 石英力传感器的分辨率一般可达最大可测量程的7 到1 0 倍或者更高。 ( 3 ) 石英传感器具有良好的静态与动态特性，滞后、重复性误差也很小。 2 动态特性好 ( 1 ) 固有频率高，从大型测力下台的几百赫兹到超小型力传感； ( 2 ) 频率响应与瞬态响应良好，工作频带宽，动态测量误差小。因此特 别适用于动态测量。 3 稳定性好 2 第1 章绪论 因为石英晶体能长期保持静态和动态性能的稳定，同时抗干扰能力强，所 以决定其传感器性能长期保持刁 应变 电阻变化 电压输出 第1 章绪论 图1 1 0 即为本系统所研究的铣削测力仪的基本工作情况。从图上看出，旋 转铣削测力仪的工作分为三部分：切削力信号的拾取，信号的采集、传输，处 理信号并对刀具的状态做出判断。其中信号的采集和传输是难点，也是本文的 研究重点。 m c u 计算 i 加工l 传感器 信 特 状 号 征 态 过程l 传感器 处 提 识 理 取 别 图1 1 0 加工过程监控 根据1 2 小节对刀具切削力测试发展现状的分析，结合课题的实际情况，进 行以下研究工作： 1 检索与刀具监测和检测相关的文献和资料，了解该领域的发展情况和将 来的趋势； 2 制定系统方案。针对课题进展和调研结果设计整套监控系统的总体方案， 在保证系统方案可行的基础上，确定系统主要工作元器件，设计并制作硬件电 路： 3 设计系统软件。刀具上的切削力信号传感器拾取的信号经过滤波和放大 后再经过a d 转换，由无线发射芯片发射至接收端，接收端将接收到的信号发送 给计算机。存这个过程中，最重要的是要做到实时监测。 4 系统功能验证。使用信号发生器产生的标准信号做为信号源，将系统接 收端接收到的信号经过简单转换之后，制成图表，对比信号发生器产生的波形 检查系统工作是台正确。 5 采集实际的铣刀切削力信号。将整套系统安装在测力仪上，通过旋转测 力仪得到切削力信号，用该系统采集切削力信号，再由无线芯片发射数据，接 收端将接收到的数据制成图表，对比发射端用示波器观察到的波形，进一步验 证系统工作的正确性。 1 2 第2 章系统总体方案设计 第2 章测试系统总体方案设计 2 1 测试系统功能简介设计 2 1 1 测试系统总体功能图 图2 1 说明了系统内部的功能模块的划分。 数据传鲁差兰算机信 信号接收、解码 号处婵 1 ”。 图2 i 系统内部各模块功能框图 1 3 第2 章系统总体方案设计 发射端的工作： 将传感器采集到的机床的切削力信号经过放大电路，将幅值放大若干倍之 后，再经过a d 采集j s 片将该模拟量转换成一个与之相对应的数字信号，由 f p g a 将该信号编码，然后通过无线射频芯片发射出去【3 6 】【3 7 1 。 接收端的工作： 无线射频：占片接收到信号之后传给f p g a ，由f p g a 解码后，通过串口传输 给计算机，以便做后续的信号处理和对刀具的状态识别。 2 1 2 测试系统各模块功能设计 本文将系统各个部分的工作分成四个模块，分别是：f p g a 控制模块，a d 采集模块，无线信号收发模块和串口发送模块。其中，无线信号收发模块包括 发射和接收两部分。 系统两个主要的功能模块就是a d 采集模块和无线信号收发模块。虽然利用 f p g a 可以实现这两部分功能，但考虑到如果采用这种设计方法，不仅对f p g a 硬件资源要求非常高，而且软件编程的工作量太大，会导致开发时间过长，同 时也很难保证其准确性和稳定性。为了解决这个问题，决定采用专门的a d 采集 芯片和无线