切削力測量技術(shù)現狀及其發(fā)展趨勢分析論文

　　摘 要：分析了目前切削力測量技術(shù)的現狀及存在問(wèn)題，根據現代切削加工高速、高精度和強力切削的特點(diǎn)，提出了切削力測量技術(shù)新的要求及發(fā)展趨勢。

　　關(guān)鍵詞：切削力；測量技術(shù)；現狀；發(fā)展趨勢

　　1 切削力測量技術(shù)現狀分析

　　切削力測量系統一般由三部分構成：由測力儀、數據采集系統和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(chē)削）或機床工作臺上（銑削），負責拾取切削力信號，將力信號轉換為弱電信號；數據采集系統對此弱電信號進(jìn)行調理和采集，使其變?yōu)榭捎玫臄底中盘�；PC機通過(guò)一定的軟件平臺，將切削力信號顯示出來(lái)，并對其進(jìn)行數據處理和分析。

　　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(shí)，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(guò)標定建立輸出電壓與力之間的關(guān)系。使用時(shí)根據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、性能穩定等優(yōu)點(diǎn)，而且配套儀表（如靜態(tài)應變儀、動(dòng)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(dòng)態(tài)特性主要取決于彈性元件的結構，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(dòng)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(shí)，在它的某些表面上出現異號極化電荷。這種沒(méi)有電場(chǎng)的作用、只是由于應變或應力在晶體內產(chǎn)生電極化的現象稱(chēng)為壓電效應。通過(guò)測量產(chǎn)生電荷量即可以達到測量切削力的目的。

　　從動(dòng)態(tài)測力的觀(guān)點(diǎn)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(diǎn)。然而壓電式測力傳感器仍然存在一系列缺點(diǎn)：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(jià)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(shí)，工藝系統結構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、調試技術(shù)復雜；③測試設備花費較高；④測力儀測試系統可靠性較低。

　　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(huì )引起主軸電機電流的變化，通過(guò)測量主軸電機電流來(lái)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(jiǎn)單，所以這是一種經(jīng)濟而又簡(jiǎn)便的方法。

　　電流式測力儀的局限性體現在兩個(gè)方面：①把主傳動(dòng)系統的運動(dòng)學(xué)模型看作是一個(gè)線(xiàn)性模型，所以加工過(guò)程中的非線(xiàn)性因素會(huì )在一定程度上降低測量精度；②當切削力發(fā)生變化時(shí)，相應的主軸電流信號有一定的滯后現象，無(wú)法滿(mǎn)足對切削力進(jìn)行實(shí)時(shí)監測的較高要求。

　　1.2 數據采集系統

　　如圖3所示，數據采集系統通過(guò)一定的電子線(xiàn)路，對測力儀的輸出信號進(jìn)行放大、濾波等處理后，將其進(jìn)行A/D轉換，變?yōu)橛嬎銠C的可用信號，再通過(guò)接口電路與PC機進(jìn)行數據傳輸。

　　目前大多數切削力數據采集系統由放大器、濾波器、數據采集卡等分立元器件組成，體積較大，系統穩定性不高，測量精度和實(shí)時(shí)性也漸漸滿(mǎn)足不了現代測力系統的要求。

　　1.3 數據顯示和分析處理

　　早期的數據顯示和分析處理單元由指示儀表、示波器和記錄儀等組成，其數據顯示和分析處理功能都是很有限的。隨著(zhù)計算機技術(shù)的快速發(fā)展，目前數據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據擬合、圖表顯示和輸出等，對測力儀各向力之間的耦合沒(méi)有進(jìn)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(dòng)頻率也會(huì )遠遠高于系統的固有頻率，這對切削力測量系統提出了新的要求：①測量范圍大、高精度和高分辨率；②實(shí)時(shí)性好，能夠在線(xiàn)實(shí)時(shí)測量；③數據處理和分析能力強，能夠對復雜多變的切削力信號進(jìn)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(zhù)以下幾方面發(fā)展：

　�。�1）開(kāi)發(fā)新型彈性元件，優(yōu)化彈性元件結構及應變片布片方案，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(wèn)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)，使數據采集系統集成化，提高數據采集的速度與精度；

　�。�3）完善數據處理分析軟件的功能，例如通過(guò)解耦運算進(jìn)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，以便對測量數據進(jìn)行多種操作和數據庫管理；建立專(zhuān)家系統，通過(guò)對測試數據的分析處理，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

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