壓電式切削測(cè)力儀快速標(biāo)定系統(tǒng)研究

王 璐

（太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

0 引言

切削力對(duì)研究切削機(jī)理、計(jì)算功率消耗、設(shè)計(jì)工藝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、制定合理的切削用量、優(yōu)化刀具幾何參數(shù)等具有非常重要的意義［1］。切削力的理論計(jì)算誤差較大，所以通常利用切削測(cè)力儀采用實(shí)驗(yàn)的方法獲得。為了提高測(cè)力儀的動(dòng)力學(xué)性能，目前廣泛采用壓電式切削測(cè)力儀。而壓電晶體存在電荷泄漏的不足［2］，使得壓電晶體傳感器的高精度靜態(tài)標(biāo)定十分困難。傳統(tǒng)的切削測(cè)力儀標(biāo)定采用測(cè)力環(huán)上的千分表讀取加力值，達(dá)到設(shè)定力值的調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)，致使電荷泄漏更加嚴(yán)重，標(biāo)定精度差。本文采用對(duì)比測(cè)量法，設(shè)計(jì)了新型的壓電晶體測(cè)力標(biāo)定系統(tǒng)，采用計(jì)算機(jī)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，自動(dòng)識(shí)別記錄并取樣加力值，極大地縮短了標(biāo)定時(shí)間，從而很好地消除了電荷泄漏的影響。

1 標(biāo)定系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1．1 標(biāo)定系統(tǒng)組成原理

要減小電荷泄漏影響，必須減少標(biāo)定過(guò)程的操作時(shí)間，為此增加一個(gè)力傳感器自動(dòng)檢測(cè)加載力值，解決原標(biāo)定系統(tǒng)人工計(jì)數(shù)速度慢的問(wèn)題。

自行設(shè)計(jì)了快速標(biāo)定裝置，切削測(cè)力儀采用大連理工大學(xué)生產(chǎn)的YDCB－III05三向壓電測(cè)力儀，其主要由4個(gè)YDS－III79K型壓電石英三維力傳感器組成［3］，其X、Y 兩向固有頻率均在5kHz以上，而Z向固有頻率可達(dá)25kHz以上。內(nèi)置的x、y、z方向的壓電式傳感器位置經(jīng)過(guò)精心布局，可以反映出Fx、Fy、Fz的大小變化，并最大可能地消除3向分力的干擾。另外購(gòu)置一個(gè)江蘇聯(lián)能電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的CLYD－312A壓電晶體力傳感器，用于測(cè)量加載力的大小，其截止頻率大于30kHz。4路傳感器通過(guò)4個(gè)電荷放大器接入接線盒，并引入PCI9118高速數(shù)據(jù)采集卡（采樣頻率達(dá)330kHz），每路的采集時(shí)間僅12μs，實(shí)現(xiàn)了4路信號(hào)的準(zhǔn)同時(shí)測(cè)量。通過(guò)編制軟件，每組標(biāo)定數(shù)據(jù)間加載不需要停頓，大大縮短了加載時(shí)間，有效減小了電荷泄漏的影響。標(biāo)定系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 標(biāo)定系統(tǒng)硬件組成框圖

1．2 三向加載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2為三向加載機(jī)構(gòu)的實(shí)物照片，水平有兩個(gè)U型可移動(dòng)支座，用于X、Y方向的加載，Z方向的可調(diào)加載支座設(shè)計(jì)了兩個(gè)螺柱及橫梁并形成門(mén)形結(jié)構(gòu)，提高了其承載能力。壓電式測(cè)力儀以及x、y、z方向可調(diào)加載支座用螺釘固定在它的工作臺(tái)上，3個(gè)方向的加載支座可沿垂直于各自加載方向移動(dòng)20mm；根據(jù)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，只有一個(gè)方向加載，一個(gè)專(zhuān)用加載螺旋機(jī)構(gòu)可以分別安裝在3個(gè)方向的加載支座中，并可以沿垂直于支座移動(dòng)方向移動(dòng)20mm，通過(guò)調(diào)整來(lái)保證加載方向與刀具安裝位置準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)，傳感器所受載荷和標(biāo)定刀桿受力中心所受載荷一致，并可適用于多種尺寸刀桿的刀具標(biāo)定。

圖2 三向加載機(jī)構(gòu)

三向加載機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部分——加載螺桿要完成切削測(cè)力儀標(biāo)定的加載任務(wù)，不能產(chǎn)生附加扭矩，為此在加載螺柱和測(cè)量傳感器之間增加了一個(gè)推力軸承（型號(hào)為51100），螺桿施加載荷通過(guò)軸承與傳感器中間的支撐座傳給傳感器。為防止實(shí)際切削刀具刀尖的受力損壞，以保證對(duì)標(biāo)定刀桿加載方便準(zhǔn)確、穩(wěn)定，設(shè)計(jì)了如圖3所示的專(zhuān)用的z向快速標(biāo)定機(jī)構(gòu)，其前端焊接了一個(gè)鋼球，加載力等效作用在球心，在測(cè)量頭上做了一個(gè)V型孔，保證所加載荷就在螺桿的受力中心。在支座中安裝有一個(gè)懸浮螺紋套調(diào)整加載位置，加載螺柱栓安裝在能移動(dòng)的螺紋套中，當(dāng)受到一定的軸向加載力時(shí)，螺紋套可以水平移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了在加載機(jī)構(gòu)調(diào)整過(guò)程中螺紋套的自動(dòng)對(duì)中，保證了加載位置的準(zhǔn)確性。

圖3 Z向快速標(biāo)定機(jī)構(gòu)圖

2 快速標(biāo)定系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了加快標(biāo)定速度，設(shè)計(jì)了自動(dòng)檢測(cè)加載力軟件，由基于線程的數(shù)據(jù)采集軟件以較高頻率采集加載力以及三向分力Fx、Fy、Fz的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并放入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，線程技術(shù)避免了用戶(hù)界面操作對(duì)采集過(guò)程的影響，編程原理如圖4所示。其中PCI9118數(shù)據(jù)采集卡采樣頻率高達(dá)82kHz／路，即使采用分時(shí)采集，一組數(shù)據(jù)中的時(shí)間差也可忽略。主程序可根據(jù)用戶(hù)事先設(shè)定的加載力初值、終值及測(cè)量組數(shù)，自動(dòng)讀取數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測(cè)到加載力達(dá)到規(guī)定的標(biāo)定點(diǎn)力值時(shí)，將這組數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)保留并在曲線中顯示，直至采集完規(guī)定的數(shù)據(jù)組數(shù)，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)定加載操作不需要停頓觀察加載力值，在很大程度上減少了操作時(shí)間，提高了標(biāo)定精度。

3 切削測(cè)力儀標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

3．1 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)操作步驟

（1）運(yùn)行切削力標(biāo)定軟件，進(jìn)入如圖5所示的Z向快速標(biāo)定系統(tǒng)。

圖4 快速標(biāo)定系統(tǒng)軟件框圖

圖5 Z向快速標(biāo)定操作界面

（2）設(shè)定采樣頻率（默認(rèn)值為10 000Hz）、加載力初值（默認(rèn)值為0N）、終值（默認(rèn)值為2 000N）及測(cè)量組數(shù)（默認(rèn)值為10組），點(diǎn)擊“啟動(dòng)采集”按鍵，當(dāng)前的加載力值實(shí)時(shí)地顯示在右上角“載荷”視圖中。

（3）操作者快速連續(xù)加載，“載荷”視圖中實(shí)時(shí)出現(xiàn)加載力的數(shù)值，“電壓”視圖中實(shí)時(shí)出現(xiàn)標(biāo)定值的離散點(diǎn)；加載時(shí)用余光觀察界面，出現(xiàn)“數(shù)據(jù)采集完畢！”時(shí)停止加載，Z方向的加載過(guò)程完成。

（4）單擊“標(biāo)定”按鈕，“電壓”視圖出現(xiàn)用最小二乘法擬合的3條直線，一個(gè)方向的標(biāo)定完成。

（5）重復(fù)上述步驟，完成X、Y兩個(gè)方向的標(biāo)定。

3．2 快速標(biāo)定結(jié)果分析

軟件自動(dòng)取樣標(biāo)定結(jié)果顯示在圖5中。軟件自動(dòng)取樣是由軟件自動(dòng)檢測(cè)實(shí)時(shí)載荷數(shù)據(jù)，只要發(fā)現(xiàn)合適的載荷采樣點(diǎn)，軟件自動(dòng)將該組數(shù)據(jù)顯示在圖5左圖中，因此在加載過(guò)程中，操作者不需要觀察就可以連續(xù)快速加載，即在“載荷”視圖中出現(xiàn)了連續(xù)快速上升的加載曲線，加載時(shí)間明顯縮短，自動(dòng)取值的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)和擬合的直線重合得非常好，說(shuō)明標(biāo)定精度很高。

Z方向加載時(shí)3個(gè)方向的標(biāo)定斜率分別為：X：0．009 1；Y：0．004 2；Z：0．025 9。說(shuō)明Z 方向加載對(duì)X、Y兩個(gè)方向的輸出有影響，從標(biāo)定曲線上可以知道這些影響呈線性關(guān)系，可以通過(guò)求解線性方程組的辦法消減向間干擾的影響［3］。

4 結(jié)論

針對(duì)壓電晶體存在電荷泄漏的先天不足，設(shè)計(jì)了標(biāo)定力和切削測(cè)力儀三向分力的同步采集硬件系統(tǒng)，采樣頻率大于80kHz／每通道；編制了基于線程的自動(dòng)數(shù)據(jù)采集和處理軟件，大大減少了人工讀數(shù)時(shí)間，提高了標(biāo)定速度，自動(dòng)取值的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)和擬合的直線重合的非常好，有效減少了電荷泄漏對(duì)標(biāo)定精度的影響，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，為壓電式傳感器的標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了借鑒模式。

［1］ 王時(shí)英，呂明．基于LabVIEW的車(chē)床動(dòng)態(tài)剛度測(cè)量系統(tǒng)研究［J］．太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，38（4）：329－332．

［2］ 王化祥，張淑英．傳感器原理及應(yīng)用［M］．第3版．天津：天津大學(xué)出版社，2007．

［3］ 劉曉玲，張軍，錢(qián)敏．新型壓電式車(chē)削測(cè)力儀的研究［J］．傳感器技術(shù)，2005，24（12）：35－37．