為提高機(jī)械加工的精度，對(duì)精密加工系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行綜合的監(jiān)測(cè)是技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。精密加工系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)是近年來國(guó)內(nèi)外發(fā)展較快的一門新興學(xué)科，它包括對(duì)機(jī)械狀態(tài)量(力、位移、振動(dòng)、溫度、壓力、和流量等)的監(jiān)測(cè)，狀態(tài)特征參數(shù)變化的辨識(shí)，機(jī)械產(chǎn)生振動(dòng)和損傷時(shí)的原因分析、振源判斷、故障預(yù)防等等。通過對(duì)精密數(shù)控車床精密加工過程中設(shè)備狀態(tài)(刀具三向切削力、振動(dòng)、刀具溫度、主軸軸向位移)和旋轉(zhuǎn)工件部分參數(shù)(工件表面溫度)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其實(shí)質(zhì)是了解和掌握加工系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的狀態(tài)，優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行和加工過程，在出現(xiàn)異常時(shí)，可提供分析的數(shù)據(jù)。
i@sCMCu6 7 B4w.P,B 本系統(tǒng)的目的是通過對(duì)精密加工系統(tǒng)中一些影響精密加工的因素的監(jiān)測(cè)，了解加工系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并為提高加工精度、深化對(duì)精密加工過程的認(rèn)識(shí)而提供分析依據(jù)。
8kKRx 6uv'r;U] 在精密加工中，車床的振動(dòng)，主軸的位移、刀具溫度、刀具切削力、工件溫度對(duì)工件的加工精度影響較大，故本裝置主要監(jiān)測(cè)以上5個(gè)參數(shù)。圖1是系統(tǒng)原理圖。所監(jiān)測(cè)的非電參數(shù)信息通過不同的傳感器被檢測(cè)，然后經(jīng)信號(hào)的轉(zhuǎn)換和放大后送入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)在線顯示。當(dāng)前對(duì)刀具的溫度檢測(cè)和旋轉(zhuǎn)工件的溫度場(chǎng)的檢測(cè)并不十分理想，本系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行一些探討。另外，該系統(tǒng)采用一種新型的刀具三向切削力檢測(cè)裝置。
+<vqkc Vu^Q4Z 1 系統(tǒng)構(gòu)成
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圖1 精密加工系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)原理圖
2 監(jiān)測(cè)參數(shù)及原理
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Pg]' 1) 刀具溫度
<[*h_gE5 ^*j[&:d 對(duì)刀具溫度監(jiān)測(cè)的目的是了解刀具溫度與切削參數(shù)的關(guān)系。在切削過程中，刀尖淘度很高，較常用的刀具測(cè)溫方法是在刀具中埋入熱電偶的熱電偶法，但該方法由于熱電偶的埋入較困難，而且其精度受刀具材料、溫度和時(shí)間的影響較大。本裝置采于紅外探頭來監(jiān)測(cè)刀尖溫度，如圖2，在夾持刀具的刀架上引出一縱向支架，其上固定放置紅外探頭，使得探頭與刀具相對(duì)位置不變而同時(shí)移動(dòng)。由于紅外測(cè)溫儀測(cè)量的溫度是其視場(chǎng)的平均溫度．根據(jù)紅外探頭的光學(xué)焦距圖，選擇適當(dāng)測(cè)量的距離，可以測(cè)量其刀尖的溫度。使用該裝置能夠在線監(jiān)測(cè)切削過程中刀尖的溫度變化。
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圖2 刀具溫度測(cè)量圖
2) 旋轉(zhuǎn)工件的溫度
6tCV{pgm %`8KG(F^ 一般來說．固體的線性膨脹系數(shù)為10
-6～10
-8/K的數(shù)量級(jí)：因此機(jī)械加工過程中的溫度變化會(huì)帶來工件大的機(jī)械變形。旋轉(zhuǎn)工件的溫度采用紅外測(cè)溫儀測(cè)量。紅外測(cè)溫儀測(cè)量的溫度是平均溫度，如果檢測(cè)區(qū)域的比較小，可以認(rèn)為是測(cè)量點(diǎn)所在截面的溫度。
H"kc^G+(R" P W0q71 在本裝置中采用快速移動(dòng)傳感器的方法對(duì)其工件進(jìn)行勻速掃描來實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)的監(jiān)測(cè)。如圖3所示：將傳感頭安裝車床的第二刀架上，測(cè)量時(shí)，紅外傳感頭隨刀架勻速移動(dòng)，其工件溫度信號(hào)經(jīng)運(yùn)放后送入數(shù)據(jù)采集卡中。要獲得工件的溫度場(chǎng)，必須利用軟件來處理所采集到的溫度信號(hào)，根據(jù)工件的長(zhǎng)度、刀架移動(dòng)的速度，得出在一個(gè)掃描周期內(nèi)溫度的變化．建立一個(gè)坐標(biāo)，將工件長(zhǎng)度與溫度變化對(duì)應(yīng)起來，得出不同時(shí)刻掃描的溫度曲線。由于工件溫度變化不是很大，調(diào)整刀架移動(dòng)速度，縮短周期時(shí)間，這樣可以近似認(rèn)為工件不同處的溫度具有同一個(gè)時(shí)基，這樣就可以得到某一時(shí)刻(我們以開始掃描的時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn))工件的溫度分布曲線；每隔5 秒對(duì)車削工件進(jìn)行一次再掃描就可以得到不同時(shí)刻的溫度曲線，這樣就得到了以5 秒時(shí)間間隙的工件各個(gè)位置的溫度，用計(jì)算機(jī)處理繪出該工件的溫度場(chǎng)。本方法測(cè)得的溫度場(chǎng)是二維的。
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圖3 溫度場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖
3) 主軸的軸向位移
U:C-\ M ^$ g],PAY 主軸軸向位移里利用渦流傳感器進(jìn)行非接觸檢測(cè)。渦流檢測(cè)是以電磁慈應(yīng)原理為基礎(chǔ)的，其檢測(cè)響應(yīng)快。由于精密車床的主軸精度本身就比較高，故在選用渦流傳感器時(shí)應(yīng)選適當(dāng)?shù)牧砍獭ＴO(shè)計(jì)探頭安裝支架，將探頭安裝于支架上，而后將支架固定在主軸端面前方，在安裝時(shí)．盡量讓探頭接近主軸端面，其距離大于主軸的最大位移。這樣使測(cè)量精度更高。隨著主軸位移重的變化，探頭和前置器組成的測(cè)量系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的電量變化，將其變化輸出送入采集器，用軟件系統(tǒng)讀出主軸位移量。
hv_pb#1Ks 0Te)s 3X 4) 加工系統(tǒng)振動(dòng)
S.?\ >iH[ y'i:%n}I 振動(dòng)使刀具和工件之間產(chǎn)生相對(duì)的位移和其它影響加工精度的效應(yīng)，精密加工中應(yīng)盡量減小振動(dòng)．本系統(tǒng)中機(jī)床的振動(dòng)利用壓電傳感器進(jìn)行測(cè)量。精密機(jī)床的振動(dòng)并不是很大，采用1g的加速度傳感器。為了測(cè)量機(jī)床上某點(diǎn)的三向振動(dòng)，如圖4將方形磁座吸附在機(jī)床上．然后把三個(gè)小圓磁座吸附在方形磁座三個(gè)方向上，壓電傳感器固定在磁座上，該位置的振動(dòng)信息經(jīng))長(zhǎng)電傳感器轉(zhuǎn)換后接入電荷放大器，最后送入數(shù)據(jù)采集器。
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圖4 磁座布置圖
5) 刀具切削力
AOq9v~)z- 2xz%'X% 切削力的實(shí)時(shí)檢測(cè)有利于優(yōu)化切削參數(shù)，為精密加工提供依據(jù)。采用壓電石英力傳感器來測(cè)量刀具三個(gè)方向的切削力。其原理是通過傳感器受力獲得信號(hào)，送入電荷放大器，經(jīng)放大后送入數(shù)據(jù)采集卡，由軟件系統(tǒng)讀出數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示受力曲線和力值，刀具切削力的檢測(cè)其關(guān)鍵足設(shè)計(jì)特殊的測(cè)力儀刀體，如圖5是測(cè)力刀體結(jié)構(gòu)圖，使用時(shí)用材料試驗(yàn)機(jī)將半環(huán)長(zhǎng)槽拉開后，將壓電傳感器放進(jìn)中．定位后慢慢去掉外力使傳感器夾緊。給以一定的預(yù)緊力后平圓長(zhǎng)槽兩側(cè)面用蓋板采用電子束焊封裝，尾部引線孔用室溫固化硅橡膠密封。
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圖5 測(cè)力刀體結(jié)構(gòu)圖
3 數(shù)據(jù)采集
Z:r$;`K/ pEqr0Qwh 1) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需求
[7ek;d;'t X8NO;w@z# a. 本系統(tǒng)是對(duì)加工系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)，故其監(jiān)測(cè)時(shí)間長(zhǎng)。
96([V|5K b. 監(jiān)測(cè)參數(shù)多，但各參數(shù)對(duì)采集率的要求并不一樣。
A$$R_3ne _tWfb}6;Zb 振動(dòng)與主軸位移的數(shù)據(jù)采集率相對(duì)于刀具和工件溫度及切削力要高，但它們最好在同一個(gè)時(shí)基下進(jìn)行采集，這徉才能保證分析數(shù)據(jù)時(shí)的同步性。
2*3B~" hc31+TL 2) 數(shù)據(jù)采集方案
LmT[N@>" `eA&C4oFOO 基于本系統(tǒng)采集特點(diǎn)，我們采用兩塊數(shù)據(jù)采集卡同時(shí)基進(jìn)行采集，刀具、旋轉(zhuǎn)工件溫度、兩方向的切削力共用一個(gè)采集塊，三方向振動(dòng)和主軸位移測(cè)量共用一個(gè)采集塊。該采集卡是PCI插槽，12位，4通道，最高采集率為100KsPs，其 采集的數(shù)據(jù)可以連續(xù)存盤，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式是DMA方式，直接進(jìn)入硬盤，這樣能夠滿足對(duì)加工系統(tǒng)的連續(xù)監(jiān)測(cè)。
0Y TtA]|`4 ?Sd~u1w8K 4 數(shù)據(jù)處理及分析
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