動(dòng)態(tài)二維鉆削力測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

-.z1.設(shè)計(jì)目的與意義設(shè)計(jì)對(duì)象分析鉆削力是機(jī)械加工過程〔鉆削〕中的根本參數(shù)之一，鉆削力的大小往往是影響加工工藝精度、刀具耐用度和生產(chǎn)效率的重要因素之一。機(jī)械工程上常通過測(cè)試鉆削過程中的鉆削力用于研究機(jī)床、刀具、夾具的設(shè)計(jì)，以及鉆削機(jī)理的研究、自動(dòng)控制和自動(dòng)檢測(cè)等，在機(jī)械工程中具有重要意義。鉆削力是一個(gè)動(dòng)態(tài)矢量，包括大小和方向兩個(gè)因素。為了便于測(cè)定，可以把鉆削力分解成直角坐標(biāo)系中三個(gè)方向上的分力。只要測(cè)出三個(gè)方向上分力的大小，也就知道了鉆削力的大小和方向了。由于鉆削過程較為平穩(wěn)，穩(wěn)態(tài)分量占較大成分，本實(shí)驗(yàn)就是要測(cè)定鉆削力二維穩(wěn)態(tài)分量。鉆削力二維穩(wěn)態(tài)分力如圖1.1所示。圖1.1鉆削力二位穩(wěn)態(tài)分量在鉆削過程中鉆頭的所有切削刃〔兩條主刃，兩條副刃，和一條橫刃〕都產(chǎn)生軸向力Fz,徑向力F*切向力Fy。在理想狀態(tài)下〔即采用角度標(biāo)準(zhǔn)的新鉆頭、材質(zhì)均勻的工件等〕，由于鉆頭的兩條左、右主、副切削刃刃磨的比較對(duì)稱，徑向分力F*1和F*2相互抵消，軸向分力Fz1、Fz2、Fz3合成Fz，切向分力Fy2和Fy3合成為扭矩M。因此，在鉆削過程中產(chǎn)生的鉆削力主要表現(xiàn)為軸向力Fz和切向力所形成的扭矩M。本次測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試對(duì)象就是鉆削過程中的軸向力Fz和扭矩M.設(shè)計(jì)目的與意義本次設(shè)計(jì)的題目為鉆削力動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)，通過本次設(shè)計(jì)過程，掌握機(jī)械工程中鉆削力的測(cè)力方法。了解鉆削傳感器的工作原理和測(cè)力方法。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，掌握消除穿插干擾的方法，并學(xué)會(huì)應(yīng)用微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)展測(cè)試。本測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涉及多個(gè)學(xué)科的綜合，含測(cè)試技術(shù)，電工學(xué)，機(jī)械工程等相關(guān)學(xué)科，培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)課程設(shè)計(jì)及綜合運(yùn)用知識(shí)的能力。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著科技的進(jìn)步，建立預(yù)報(bào)鉆削力模型的方法也在不斷開展。1997年，Islam

A

U和Liu

M

C提出了用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報(bào)群鉆軸向力和扭矩的方法，其訓(xùn)練用數(shù)據(jù)直接從文獻(xiàn)資料中提取。2001年Kawaji

S等人也提出了一種用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型估計(jì)和控制鉆削軸向力的方法：①離線構(gòu)建一個(gè)軸向力神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；②以該模型為根底，通過在線最小二乘法訓(xùn)練，建立一個(gè)模擬神經(jīng)控制器；③將經(jīng)過訓(xùn)練的神經(jīng)控制器應(yīng)用于鉆削系統(tǒng)，得到軸向力。1999年，Chen

Y應(yīng)用有限元方法分析具有刃口圓弧半徑刀具的斜角切削過程，建立了一個(gè)用有限次任意刃形鉆頭標(biāo)定的任意刃形鉆頭鉆削力模型。2004年，Strenkowski

J

S等人用一個(gè)歐拉有限單元模型模擬組成切削刃的單元刀具的切削力，提出了用有限元技術(shù)預(yù)報(bào)麻花鉆軸向力和扭矩的方法。2002年，Yang

J

A等人提出了一種用I-DEAS

CAE軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的鉆削過程仿真模型，可以預(yù)報(bào)動(dòng)態(tài)鉆削力。未來的研究開展趨勢(shì)：

(1)鉆削過程建模成為研究熱點(diǎn)

影響鉆削過程的各種因素，包括鉆頭幾何構(gòu)造、制造和安裝誤差、物理特性〔靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性〕、切削條件、環(huán)境溫度、工件尺寸和材料等都將逐步納入建模研究的*圍，各種鉆型、切削條件和鉆削工藝有關(guān)的鉆削力、鉆削溫度、鉆頭磨損與壽命、切屑變形與排出、鉆削質(zhì)量、鉆削效率和鉆削本錢等都將成為鉆削過程建模的對(duì)象，建模方法將更加多元化，模型預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性將進(jìn)一步提高，鉆削模型將不僅用于仿真和預(yù)報(bào)，而且將更多地用于指導(dǎo)鉆頭設(shè)計(jì)、制造和鉆削過程的優(yōu)化與監(jiān)控。

(2)鉆頭的幾何設(shè)計(jì)和制造方法仍將是研究的重點(diǎn)

適合于加工各種材料和加工條件的新鉆型將繼續(xù)涌現(xiàn)，適用于微機(jī)械制造和印刷電路板制造的微型鉆頭的研究將走向深入。鉆頭制造方法的研究將向集成制造系統(tǒng)的方向開展，鉆頭特別是群鉆的自動(dòng)刃磨問題將得到解決，并會(huì)特別注重設(shè)計(jì)與制造的一體化、自動(dòng)化和智能化。2.總體方案設(shè)計(jì)2.1鉆削力測(cè)試系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)原理鉆削力測(cè)定方法很多，目前使用較多的是電阻應(yīng)變式電測(cè)法。經(jīng)典的用電阻應(yīng)變式傳感器測(cè)力系統(tǒng)如圖2.1所示。機(jī)床機(jī)床電阻應(yīng)變片彈性元件交流電橋動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀光線示波器觀測(cè)者中間轉(zhuǎn)換裝置測(cè)量系統(tǒng)傳感器(測(cè)力儀)FzM|ue||△R|/R△i*△iy△izi*iyizNz‘Tm圖2.1鉆削力測(cè)定原理框圖在上圖中：Fz、M——輸入信號(hào)，是待測(cè)的未知量，單位：〔N、N/m〕Nz、Tm——輸出信號(hào)，即示波器記錄曲線穩(wěn)態(tài)分量高度，通過鉆削試驗(yàn)后可觀察到的物理量，單位〔mm〕本實(shí)驗(yàn)采用的即是這種方法。在上圖中，鉆削過程中產(chǎn)生的軸向力Fz和扭矩M作為輸入信號(hào)，是測(cè)試對(duì)象。切削力作用在傳感器上是傳感器上的應(yīng)變片產(chǎn)生應(yīng)變，轉(zhuǎn)化交流電橋中應(yīng)變片中電阻變化，這樣就將切削力轉(zhuǎn)化為電路中的電壓，進(jìn)而再通過動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀與傳感器顯示出Nz和Tm,最后根據(jù)相應(yīng)的轉(zhuǎn)化關(guān)系即可求得軸向力Fz和扭矩M。其中Nz和Tm作為示波器的輸出信號(hào)，即示波器上顯示曲線的最大幅值。在沒有其他因素干擾的作用下，軸向力Fz和扭矩M應(yīng)該與Nz和Tm分別為一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。表現(xiàn)為:Nz=f(Fz)Tm=f(M)由于在實(shí)驗(yàn)過程中，由于系統(tǒng)或者外界各種原因的干擾，軸向力Fz和扭矩M應(yīng)該與Nz和Tm并不表現(xiàn)出準(zhǔn)確的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，而是這兩個(gè)力之間相互作用，表現(xiàn)為:Nz=f(Fz,M)Tm=f(Fz,M)因此在整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中，影響軸向力Fz和扭矩M最終測(cè)定結(jié)果的主要因素就是Fz和M之間的相互干擾。在測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一方面要在傳感器設(shè)計(jì)上，在測(cè)試過程中采取種種措施盡量減小相互之間的干擾，另一方面要定量測(cè)出互干擾靈敏度系數(shù)，以便在數(shù)據(jù)處理過程中去掉互干擾因素，使測(cè)量精度得以保證。2.2標(biāo)定試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理通過鉆削實(shí)驗(yàn)求得了Nz和Tm，為了進(jìn)一步求得Fz和M，就一定要坐測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定試驗(yàn)，以求得測(cè)量系統(tǒng)輸出和輸入之比值，即兩個(gè)靈敏度系數(shù)和四個(gè)互干擾靈敏度系數(shù)。其標(biāo)定系統(tǒng)如以下列圖2.2所示：(N)(N)四個(gè)K=?標(biāo)定架記錄標(biāo)準(zhǔn)傳感器靜態(tài)應(yīng)變儀觀察模擬力(基準(zhǔn)量)測(cè)量系統(tǒng)(mm)模擬力(基準(zhǔn)量)K|με||△R/R|圖2.2標(biāo)定試驗(yàn)原理框圖在圖2.2中輸入信號(hào)——模擬鉆削力每一級(jí)力值均由的標(biāo)準(zhǔn)傳感器靈敏度設(shè)定。在圖2.1與圖2.2中：彈性元件——測(cè)鉆削力時(shí)采用的珩架式套筒；電阻應(yīng)變片——采用金屬箔式電阻應(yīng)變片8F120-5A型；交流電橋——采用全橋形式；靜態(tài)應(yīng)變儀采用YJD-17型；動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀采用YD-15型；標(biāo)準(zhǔn)傳感器——鉆削標(biāo)定試驗(yàn)時(shí)采用BLR——1型拉壓傳感器。2.3鉆削測(cè)力儀及傳感器的安裝設(shè)計(jì)鉆削測(cè)力彈性元件采用桁架式套筒，如圖2.3所示。我們以Z3040型鉆床為測(cè)試對(duì)象，如圖2.4所示，該機(jī)床最大允許軸向力為Fzma*=1600kg，最大允許扭矩為Mma*=40kg-m圖2.3鉆削測(cè)力儀圖2.3鉆削測(cè)力儀圖2.4Z3040型鉆床在設(shè)計(jì)傳感器的時(shí)候，將傳感器放置在工件與工作臺(tái)中間，用螺栓固定，鉆頭至上而下加工時(shí)，即可測(cè)定二維鉆削力，放置示意圖2.5如下：圖2.5傳感器的安裝設(shè)計(jì)圖上圖所示的即為傳感器的安裝設(shè)計(jì)圖，顯示的是傳感器在機(jī)床上的安裝方法，傳感器的下方有一個(gè)法蘭盤，用螺栓可以將傳感器固定在工作臺(tái)上，而傳感器的上方則有一個(gè)凸臺(tái)，并開有小槽，而采用的專用工件的下方則有一個(gè)凹臺(tái)，其與傳感器的凸臺(tái)是為過盈配合，這樣的話工件在上面也會(huì)同時(shí)被固定，而不會(huì)在加工測(cè)定二維分力時(shí)出現(xiàn)問題，這樣的話，就剛好能夠測(cè)定二維動(dòng)態(tài)分力Fz與M。3.傳感器設(shè)計(jì)3.1傳感器的設(shè)計(jì)鉆削測(cè)力彈性元件采用的桁架式套筒〔如圖2.3〕，是用一塊鋼材整體加工而成的，這樣更能夠保證測(cè)定的準(zhǔn)確度。電阻應(yīng)變片傳感器的貼片如下頁圖3.1與圖3.2，為了更加直觀的看到應(yīng)變片的貼片方法，我們將鉆削測(cè)力儀展開，得到其受力分析圖，見圖3.3。圖3.3鉆削測(cè)力儀展開圖傳感器的貼片原理則是根據(jù)材料力學(xué)中的受力分析所得到的，所設(shè)計(jì)的傳感器正是為了方便測(cè)定Fz與M，故設(shè)計(jì)的套筒上有著對(duì)稱的橫梁與豎梁，其可以在Fz與M的作用下發(fā)生彎曲或者是扭曲變形，均屬于超靜定梁，受力特點(diǎn)一樣。這8條橫梁可簡(jiǎn)化為圖3.4〔a〕所示的單端固定梁力學(xué)模型來表示。鉆削測(cè)力的下半部的4條縱梁也可簡(jiǎn)化為圖3.4所示的單端固定梁的力學(xué)模型?！瞐〕受Fz力作用的橫梁的受力應(yīng)變圖〔b〕受M力作用的縱梁的受力應(yīng)變圖圖3.4彈性元件上超靜定彎曲梁受力應(yīng)變圖eq\o\ac(○,+)R10eq\o\ac(○,+)R10eq\o\ac(○,+)R12eq\o\ac(○,+)R5eq\o\ac(○,-)R2eq\o\ac(○,+)R6eq\o\ac(○,-)R11eq\o\ac(○,-)R13eq\o\ac(○,-)R1圖3.1正面八片應(yīng)變片的貼法eq\o\ac(○,+)R16eq\o\ac(○,+)R16eq\o\ac(○,+)R14eq\o\ac(○,+)R7eq\o\ac(○,+)R8eq\o\ac(○,-)R9eq\o\ac(○,-)R15eq\o\ac(○,-)R4eq\o\ac(○,-)R3圖3.2反面八片應(yīng)變片的貼法根據(jù)材料力學(xué)分析可以知道，梁的中點(diǎn)是應(yīng)變節(jié)點(diǎn)，應(yīng)變?yōu)榱?，而梁的根部所受的?yīng)變力最大，才是貼片的有利部位。這是因?yàn)閼?yīng)變片傳出的信號(hào)是非常微弱的，應(yīng)變?cè)叫⌒盘?hào)越微弱，則最后產(chǎn)生的誤差就越大，所以要盡可能的將應(yīng)變片貼在應(yīng)變大的地方。為了使電橋輸出最大，不會(huì)被抵消，同時(shí)盡量消除Fz與M之間相互干擾的影響，在聯(lián)電橋的時(shí)候必須要符合上面所述的符號(hào)規(guī)則，另外，為了提高抗干擾能力，測(cè)Fz與M是兩個(gè)電橋分別采用了每臂雙片的形式。3.2誤差分析與處理由前面總體方案設(shè)計(jì)知，這種設(shè)計(jì)的測(cè)定方法存在著兩個(gè)力的相互之間的干擾誤差，為了去除干擾誤差，應(yīng)進(jìn)展標(biāo)定試驗(yàn)。由圖3.標(biāo)定試驗(yàn)原理框圖分析可知，傳感器的靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)主要由以下幾局部組成：1.被測(cè)物理量標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器--標(biāo)定架。2.被測(cè)物理量標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)：標(biāo)準(zhǔn)傳感器，靜態(tài)應(yīng)變儀，顯示器。3.被標(biāo)定測(cè)試系統(tǒng)：被測(cè)試傳感器，應(yīng)變儀，記錄器或示波器。具體標(biāo)定步驟如下：1.將傳感器測(cè)量*圍分成假設(shè)干等間距點(diǎn)；2.根據(jù)傳感器量程分點(diǎn)情況，輸入量由小到大逐漸變化，并記錄各輸入輸出值；3.再將輸入值由小到大逐漸變化，并記錄各輸入輸出值；4.重復(fù)上述兩步，對(duì)傳感器進(jìn)展正反形成屢次重復(fù)測(cè)量，將得到的測(cè)量數(shù)據(jù)用表格列出或者繪制曲線圖；5.進(jìn)展測(cè)量數(shù)據(jù)處理，根據(jù)處理結(jié)果確定傳感器的互干擾靈敏度和系統(tǒng)直接靈敏度。鉆削力標(biāo)定實(shí)驗(yàn)架如圖3.5所示。圖中BLR-1為標(biāo)準(zhǔn)傳感器，圖中的螺旋千斤頂是起到了傳遞力的作用，下面的三爪卡盤則是為了固定螺旋千斤頂與我們所設(shè)計(jì)的傳感器，而傳感器的另一端是固定在工作臺(tái)上，而圖中鋼絲繩纏繞在三爪卡盤上，與標(biāo)準(zhǔn)傳感器相連接，同時(shí)其中還加了一個(gè)螺旋加力器，為了產(chǎn)生一個(gè)力，是桁架式套筒傳感器受到扭矩M，以上就是鉆削力標(biāo)定實(shí)驗(yàn)架的工作原理。我們需要根據(jù)以上裝置測(cè)出四個(gè)靈敏度系數(shù)，由以上裝置，我們施加力Fz與Fy之后，由標(biāo)準(zhǔn)傳感器可以得到輸出量為Ny與Nz，由此可以得到鉆削力測(cè)量系統(tǒng)靜態(tài)標(biāo)定曲線如圖3.6所示。圖3.5鉆削力標(biāo)定試驗(yàn)架在圖3.6中：Fy、Fz——代表各項(xiàng)所加載荷；Ny、Nz——代表示波器各項(xiàng)輸出；Ny---Fy——代表系統(tǒng)y方向直接靈敏度曲線；Nz---Fz——代表系統(tǒng)z方向直接靈敏度曲線；Ny---Fz——代表系統(tǒng)y方向相互干擾靈敏度曲線；Nz---Fy——代表系統(tǒng)z方向相互干擾靈敏度曲線。圖3.6鉆削力測(cè)量系統(tǒng)靜態(tài)標(biāo)定曲線根據(jù)圖3.6可以求得最終的四個(gè)靈敏度系數(shù)為：αyy=Ny/Fy〔式3.1〕αyz=Ny/Fz〔式3.2〕αzy=Nz/Fy〔式3.3〕αzz=Nz/Fz〔式3.4〕測(cè)得鉆削力Ny’、Nz’后，根據(jù)標(biāo)定試驗(yàn)4個(gè)靈敏度系數(shù)，可建立以下經(jīng)歷公式：Ny’=ayyFy+ayzFz〔式3.5〕Nz’=azyFy+azzFz〔式3.6〕解方程課求得各向真實(shí)分力：其中：將Fy乘以轉(zhuǎn)盤直徑即可求得扭矩M.4.測(cè)試電路設(shè)計(jì)4.1電橋的聯(lián)接與電路原理框圖根據(jù)所設(shè)計(jì)的傳感器，聯(lián)接電橋如圖4.1所示，電橋上所示阻值變化符號(hào)均是在直接輸入信號(hào)所為，而互干擾輸入信號(hào)M使第1-8片符號(hào)均為“-〞，互干擾輸入信號(hào)Fz使9-12片符號(hào)亦均為“-〞，故上述兩電橋的互干擾輸出信號(hào)理論上趨于零。圖4.1測(cè)Fz、M電橋根據(jù)所學(xué)的專業(yè)課測(cè)試技術(shù)我們?cè)O(shè)計(jì)的電路原理框圖如圖4.2所示：圖4.2動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀電路原理框圖由于應(yīng)變片受力變化而導(dǎo)致的電阻變化，經(jīng)由電橋輸出的信號(hào)十分的微弱，而且信號(hào)較雜，故需要通過交流放大電路，相敏檢波電路，低通濾波電路之后，再輸出到示波器上。4.2交流放大電路由應(yīng)變片受力而導(dǎo)致電阻變化，從電橋輸出信號(hào)，但是輸出的這個(gè)信號(hào)是非常微弱的，如果直接輸出，則不僅誤差會(huì)十分的大，甚至有可能得不到信號(hào)，故需要將輸出信號(hào)進(jìn)展放大，此處選用的交流放大電路是共發(fā)射極放大電路，因?yàn)檫@種放大電路不僅改善了波形，而且提高了放大倍數(shù)的穩(wěn)定性，放大后的波形誤差小，其放大電路圖如圖4.3。圖4.3交流放大電路4.3相敏檢波電路經(jīng)過交流放大電路放大后的信號(hào)強(qiáng)度增大了，但信號(hào)還是原來的沒有變，此時(shí)的信號(hào)很雜亂，無法準(zhǔn)確的判斷出信號(hào)的相位，此時(shí)就要用到相敏檢波電路，相敏檢波電路時(shí)一種即能反映出調(diào)制信號(hào)的幅值，又能反映調(diào)制信號(hào)的極性〔相位〕的解調(diào)器，采用相敏檢波電路就可以容易的判斷出輸出信號(hào)的極性，便于后面濾波后的分析。其采用相敏檢波電路的電路圖如圖4.4。圖4.4相敏檢波電路4.4低通濾波電路濾波器是一種選頻裝置，它可以使信號(hào)中特定的頻率成分通過，同時(shí)極大的衰減其他頻率成分。故在將信號(hào)接到示波器上顯示出來之前應(yīng)該濾波，這樣的話才可以觀察到我們所需要的信號(hào)，而不被別的信號(hào)所干擾。此處選用的濾波器為多路負(fù)反響型二階有源低通濾波器，由于一階有源濾波器在隔離增益性能方面由于無源濾波器，故應(yīng)該用有源的，但是一階有源濾波器仍存在著通帶外高頻成分衰減緩慢的弱點(diǎn)，為了減少這一弱點(diǎn)，就需要加高濾波器的階次，采用的多路負(fù)反響型濾波器的特點(diǎn)是運(yùn)算放大器工作在負(fù)反響的狀態(tài)，而且ε>0，其動(dòng)態(tài)性能好。其電路圖如圖4.5。圖4.5多路負(fù)反響型二階有源低通濾波器綜合以上各個(gè)局部電路，再加上一個(gè)振蕩器，總的電